Simulación de un rotor eólico horizontal mediante métodos de dinámica de fluidos computacional

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(1)Universidad Central "Marta Abreu " de las Villas. Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA). TRABAJO DE DIPLOMA Título: Simulación de un rotor eólico horizontal mediante métodos de dinámica de fluidos computacional Autor: Leosbany García Moreno Tutor: Ing. Javier Enrique Cabeza Ferreira Consultante: Dr. Ernesto Yoel Fariñas Wong Curso: 2011-2012.

(2) “…debemos estar contentos, pero no satisfechos…quedan muchas cosas por hacer.” Fidel Castro Ruz.

(3) Dedico este trabajo: A mis padres Lázaro y Damaris, por el apoyo, el amor y los A valores que toda la vida me han dado de corazón; sin ustedes no hubiera sido posible alcanzar todas las metas propuestas hasta ahora, espero seguir contando con ustedes para las siguientes, los amo! A mi hermano Lázaro por apoyarme y quererme a su modo tan peculiar, te quiero mucho! A mis Abuelos: Roberto, Moreno y Ana por sus sabios consejos; A Katia y José por ser mis segundos padres; A mis amigos: Carlo, Ovel, Yoandy, Alejandro, Yunelky, Maikol, este logro va para todos ustedes, espero que los motive a continuar con la cosecha de éxitos profesionales..

(4) Agradezco: A Dios y a mis padres, porque siempre me dieron la fuerza necesaria para continuar cuando parecía que abandonaba el camino; A mi tutor el Ing. Javier Enrique Cabeza Ferreira por confiarme las herramientas necesarias para llevar a cabo la implementación de este trabajo de diploma y por los consejos sugeridos durante el desarrollo del mismo; Al Dr. Ernesto Yoel Fariñas Wong por sus consejos y comentarios para mejorar el trabajo tesis; Al estudiante Lázaro por dedicar parte de su tiempo para ayudarme durante el desarrollo de este trabajo; A mis compañeros y amigos de cuarto: Yoandy, Alejandro, Carlo, Cesar, Raúl, Edel, Diubel, Dany, Dallán, por el compañerismo y su incomparable amistad que me han brindado de manera desinteresada, gracias por soportarme! A todas las demás personas que he dejado de mencionar y que sin duda forman parte de mi vida; Muchas gracias, Leosbany García Moreno.

(5) Resumen RESUMEN Se realiza la simulación de un rotor eólico horizontal y se construye el modelo CAD de 6 geometrías diferentes que incluye palas rectas, curvas y de diferentes perfiles, se abordan los antecedentes de trabajos realizados sobre esta temática de rotores horizontales. Debido a la imposibilidad de discretizar el dominio no fue posible mallar las geometrías CAD de los rotores de palas curvas, obteniéndose resultados solo para simulaciones numéricas del rotor eólico construido a partir del perfil NACA 4412 y palas rectas, el cual es diseñado a partir de los parámetros propuestos por Moreno, (1992) para aerogeneradores de baja potencia específicamente 1,5 kW. Se analizaron parámetros tales como velocidades del viento y sus vectores, contorno de presiones y líneas de corrientes para 5 ensayos diferentes, en los que se varían la velocidad del viento desde 6 a 10 m/s, se utiliza el modelo de turbulencia Spalart-Allmaras para realizar los ensayos numéricos. Para la realización de los ensayos se utilizó el software ANSYS 14.0-FLUENT, el cual se seleccionó bajo el criterio de sus potencialidades del cálculo así como la estrategia del mismo en la resolución de problemas de mecánica de los fluidos..

(6) Abstract ABSTRACT Simulation is performed in a horizontal wind rotor is constructed CAD model includes 6 different blade geometries lines, curves and profiles, addresses the history of work done on this subject of horizontal rotors. Due to the inability to discretize the domain was not possible meshing of CAD geometries curved blades rotors, with results only for numerical simulations of the wind rotor profile constructed from straight blades NACA 4412 and which is designed from the parameters proposed by Moreno (1992) for low-power wind turbines specifically 1.5 kW. We analyzed parameters such as wind speeds and vectors, pressure contours and streamlines for 5 different trials, in which wind speed varies from 6 to 10 m/s, using the turbulence model Spalart-Allmaras for numerical tests. To carry out the tests using the software ANSYS 14.0- FLUENT which was selected at the discretion of their potential calculation and the same strategy in solving problems of fluid mechanics..

(7) Índice ÍNDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1 CAPÍTULO I: ESTUDIO DE ROTORES EÓLICOS ......................................................... 4 1.1 Introducción ........................................................................................................... 4 1.2 Antecedentes ......................................................................................................... 4 1.3 Rotor eólico ............................................................................................................ 5 1.4 Componentes del rotor eólico ................................................................................ 9 1.4.1 Buje ................................................................................................................. 9 1.4.2 Palas ............................................................................................................. 10 1.5 Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) ......................................................... 15 1.5.1 Antecedentes de CFD ................................................................................... 15 1.5.2 Aplicaciones de CFD ..................................................................................... 16 1.5.3 Ventajas y desventajas en la utilización de CFD............................................ 16 1.5.4 Selección de Software CFD a utilizar ............................................................. 17 1.6 Conclusiones Parciales ........................................................................................ 20 CAPÍTULO II: MODELADO Y SIMULACIÓN ................................................................ 21 2.1 Introducción ......................................................................................................... 21 2.2 Conceptualización de etapas para las simulaciones numéricas ........................... 21 2.2.1 Discretización de la Geometría ...................................................................... 21 2.2.2 Obtención de la Geometría ............................................................................ 23 2.3 Software de Simulación ....................................................................................... 26 2.3.1 Exportación del modelo ................................................................................. 26 2.3.2 Construcción de los dominios computacionales............................................. 27 2.3.3 Construcción de la malla del rotor en ANSYS ................................................ 28 2.3.4 Problemáticas presentadas en el mallado ..................................................... 30 2.4 Condiciones iniciales bajo las cuales se realizarán los ensayos .......................... 31 2.5 Conclusiones Parciales ........................................................................................ 33 CAPITULO III: ESTADO DE RESULTADOS ................................................................ 34 3.1 Introducción ......................................................................................................... 34 3.2 Condiciones para la simulación ............................................................................ 34 3.3 Procesamiento en el momento que esta iterando ................................................ 34.

(8) Índice 3.4 Resultados del pos-procesó ................................................................................. 35 3.4.1 Análisis de velocidades ................................................................................. 35 3.4.2 Análisis de presiones ..................................................................................... 36 3.4.3 Análisis de vectores de velocidad .................................................................. 37 3.4.4 Análisis de líneas de corrientes ..................................................................... 39 3.5 Comparación de resultados ................................................................................. 40 3.6 Conclusiones Parciales ........................................................................................ 40 CONCLUSIONES ................................................................................................. 41 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 42 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 43 ANEXOS.

(9) Introducción INTRODUCCIÓN La energía eléctrica ha sido el impulsor del desarrollo de la industria mundial en los últimos doscientos años, generada comúnmente por medio de la combustión de combustibles fósiles. Sin embargo, debido a que este tipo de generación es contaminante, costosa y en algunos años será insuficiente; es necesario encontrar fuentes alternativas de generación eléctrica, como energía renovable. La energía eólica es una fuente de energía renovable, abundante, limpia y disponible en todas las regiones del globo. La utilización de esta fuente, para la generación de energía eléctrica, a escala comercial, tiene su inicio hace poco más de 30 años. A partir de los conocimientos de la industria aeronáutica, los equipos para la generación eólica evolucionaron rápidamente en términos de ideas y conceptos (Erich, 2005). A nivel Mundial la energía renovable se ha desarrollado e implementado sobre la base de aerogeneradores tanto de eje horizontal como vertical, donde el desarrollo de estas máquinas eólicas ha constituido desde entonces un punto clave para muchos países desarrollados y en vías de desarrollo. En Cuba a partir de los años noventa, algunas instituciones, como el Centro de Investigación de Energía Solar (CIES) y el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), incursionaron en el diseño y construcción de sistemas eólicos, aunque sin llegar a un grado de madurez tecnológico aceptable para acceder a su producción industrial. En esos años la Comisión Nacional de Energía importó más de diez pequeños aerogeneradores chinos, que fueron distribuidos por diferentes organismos, pero dejaron de operar por diversas razones. A esto se añade la producción informal de estas máquinas por parte de algunas entidades (Moreno, 2006). Actualmente las grandes compañías productoras de aerogeneradores realizan costosas pruebas de laboratorio en túneles de viento a sus modelos para mejorar así el desempeño de estas máquinas, pero debido a que nuestro país es subdesarrollado y pionero en el uso de las energías renovables, se cuenta con la adquisición de esta tecnología pero no está al alcance del Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), perteneciente a la Universidad Central de Las Villas (UCLV), lo que ha imposibilitado la realización de. ensayos experimentales de perfiles. aerodinámicos y palas de pequeños aerogeneradores. Todo esto ha propiciado la creación de software especializados en modelación numérica, permitiéndole a diversas. 1.

(10) Introducción instituciones vinculadas a la investigación: universidades y empresas localizadas el estudio en este tema. La utilización de software especializado en modelación numérica es sin duda alguna una vía factible y económica de analizar el comportamiento de perfiles y palas de aerogeneradores, pero su adquisición es un problema impostergable que afronta las necesidades del país debido a las limitaciones existentes. El Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), perteneciente a la Universidad Central de Las Villas (UCLV), cuenta con una pequeña máquina donada por ONG Cubasolar la cual actualmente está paralizada debido a la fatiga del cubo del rotor y la destrucción parcial de las palas. Razón por la que el autor realizará en este trabajo un estudio sobre la simulación de rotores eólicos, con el fin de conocer los parámetros aerodinámicos de los rotores antes de fabricarlos y ensayarlos en túneles de viento. La situación problemática anteriormente expresada demuestra la importancia y la necesidad de investigar en esta temática, y se convierte en un problema científico que se puede describir de la siguiente manera: Con la realización de estudios numéricos se pueden obtener los datos necesarios para diseñar el mejor rotor eólico según las condiciones de viento en diferentes emplazamientos y distintas características de la máquina eólica. Para dar solución al problema científico se parte de la siguiente hipótesis de investigación: Mediante la realización de estudios numéricos se puede conocer el comportamiento de rotores eólicos en turbinas de eje horizontal para diferentes velocidades del viento. Para darle respuesta al problema planteado se establece el siguiente objetivo general: Realizar los ensayos numéricos en tres dimensiones del rotor eólico horizontal de palas rectas utilizando métodos de dinámica de fluidos computacional para diferentes condiciones de viento. Para dar cumplimiento al objetivo general se definen los siguientes objetivos específicos:. 2.

(11) Introducción 1.. Realizar un estudio de rotores eólicos horizontales en tres dimensiones para la. introducción de técnicas de análisis y diseño basadas en la dinámica de fluidos computacional. 2.. Determinar los parámetros necesarios para aplicar las técnicas de la mecánica de. fluidos computacional al análisis de rotores eólicos horizontales en 3D utilizando el ANSYS 14.0 como software de simulación numérica. 3.. Desarrollar modelos CAD de 6 modelos de rotores eólicos para el aerogenerador. CETA-Solar y ensayar numéricamente el modelo con palas rectas y perfil NACA 4412.. 3.

(12) Capítulo I CAPÍTULO I: ESTUDIO DE ROTORES EÓLICOS 1.1 Introducción Las modernas turbinas eólicas son sistemas capaces de transformar, de forma eficiente, la energía cinética contenida en el viento en energía mecánica de un eje. Esta energía se puede aprovechar, o bien directamente, en instalaciones aisladas para aplicaciones de bombeo o como es más habitual, en sistemas de producción de energía eléctrica. En este Capítulo no se aborda de forma intencionada el estudio de los aerogeneradores sino que se realizará un estudio sobre la simulación de rotores eólicos, con el fin de considerar, el rotor a utilizar en el pequeño aerogenerador de eje horizontal ubicado en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UCLV, donado por ONG Cubasolar e instalado por el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), el cual actualmente está fuera de servicio debido a la fatiga del cubo del rotor y la destrucción parcial de las palas. De forma general, se expondrá una visión teórica de todos los componentes que conforman el rotor así como la selección tanto de la disposición, perfiles aerodinámicos, materiales y método a utilizar para desarrollar la simulación del rotor eólico del pequeño aerogenerador CETA-Solar. 1.2 Antecedentes El autor considera que la simulación de rotores eólicos a nivel mundial ha ganado en precisión y utilidad, en la actualidad los desarrollos alcanzados en software y en técnica numéricas han permitido llevar a cabo diferentes tareas de investigación sin la necesidad de construir modelos reales de los mismos. Estas se evidencian sobre la utilidad de herramientas de cálculo, las cuales permiten discretizar una superficie de contorno determinada. El autor constata que actualmente, Cuba es un país pionero en el uso de las energías renovables así como en la puesta en práctica de metodologías numéricas aplicadas a la Mecánica de los Fluidos, para la solución de problemas tanto Industriales como de Ingeniería. Estas técnicas son imprescindibles para el diseño y fabricación de aerogeneradores como para la implementación y estudio de rotores eólicos. Hoy en día se han llevado a cabo disímiles estudios de rotores eólicos los que permiten obtener un análisis del comportamiento de estos en condiciones dinámicas, es decir,. 4.

(13) Capítulo I alcanzar resultados que validen la respuesta estructural que ejercen los vientos sobre los rotores. Actualmente existe un gran desacuerdo a la hora de simular rotores eólicos, pues algunos investigadores para tal proceso realizan sus estudios sobre la base de que rotor es más eficiente y bajo qué condiciones de operación. Por ello el autor considera que es necesario describir las condiciones de operación y consideraciones a tener en cuenta antes de realizar tal estudio. 1.3 Rotor eólico Los aerogeneradores de eje horizontal se clasifican en aeroturbinas lentas o rápidas. El estudio a realizar se centrará en las aeroturbinas rápidas y de pequeño tamaño, ya que en la actualidad son mucho más eficientes que las aeroturbinas lentas y que en las etapas iniciales para desarrollar el estudio es con la máquina que cuenta el autor. Martínez (2011), plantea que la máxima potencia eólica la define el Límite de Betz, la cual proporciona la máxima potencia que se puede extraer de una corriente de aire, que es de 59% y que hoy en día se aprovecha solo cifras muy por debajo de este valor, es por esta razón que es de vital importancia aprovechar la energía máxima que se pueda captar, y esto se logra principalmente en la etapa de captación de la energía cinética del viento a través de los componentes del rotor que son básicamente el buje y las palas. Moragues (1997), constata que el rendimiento (η), de un rotor eólico depende del tipo de máquina y de las condiciones de operación. Además plantea que el problema radica en que la velocidad del viento no es constante y, por lo tanto, no es necesario conocer su evolución temporal para estimar la energía útil que una turbina eólica es capaz de entregar en un período determinado. El autor basándose en (Martínez, 2011), considera que para alcanzar valores de potencia eólica cercana al Límite de Betz de 59% es necesario realizar operaciones de estudio sobre aquellos rotores que presenten una alta captación de la energía cinética del viento, a través de sus componentes. Esta es una temática que se difunde para realizar. la. simulación,. donde. depende. principalmente. del. aprovechamiento. aerodinámico que tendrán los perfiles utilizados en la fabricación de palas. La figura 1.1 muestra los rendimientos típicos de diversos rotores eólicos.. 5.

(14) Capítulo I. Figura 1.1 Rendimiento para diferentes tipos de rotores eólicos El autor basándose en la figura 1.1, considera que las aeroturbinas rápidas tanto bipala como tripala se pueden considerar como las más propensas para la simulación de sus rotores eólicos ya que estas presentan a gran escala el mayor rendimiento de operación respecto a la relación existente entre la velocidad de la punta de sus palas y la velocidad incidente del viento. Funes (2009), refiere que la velocidad lineal en la punta de la pala de estas máquinas varía en un margen de 6 a 14 veces la velocidad del viento incidente en condiciones de diseño. Esta propiedad hace que las aeroturbinas rápidas sean muy apropiadas para la generación de energía eléctrica, ya que el elemento mecánico que acondiciona la velocidad de giro de la turbina con la velocidad de giro del generador es menor en tamaño y costo. Los rotores tipo hélice presentan un par de arranque reducido que, en la mayoría de las aplicaciones, es suficiente para hacer girar el rotor durante el proceso de conexión. Vega (2006), expresa que los rotores de eje horizontal se caracterizan por girar sus palas en dirección perpendicular a la velocidad del viento incidente. La velocidad de giro de las turbinas de eje horizontal sigue una relación inversa al número de sus palas, o de forma más precisa al parámetro denominado solidez que indica el cociente entre la superficie ocupada por las palas y la superficie barrida por ellas. El autor basándose en Funes, (2009) y Contreras, (2007) afirma que de los rotores tipo hélice los más utilizados son los de tres palas, debido fundamentalmente a su mejor. 6.

(15) Capítulo I estabilidad estructural y aerodinámica, menor emisión de ruido y mayor rendimiento respecto a los rotores de una o dos palas, figura 1.2.. Figura 1.2 Rotor de eje Horizontal tipo hélice (monopala, bipala y tripala) Según Funes, (2009) la ventaja fundamental de los rotores monopala y tripala, es que la velocidad de giro de diseño es superior y por lo tanto la relación de multiplicación de la caja de transmisión es más reducida. Además, presentan como ventajas adicionales: reducción en el costo de la instalación al emplear menor número de palas y una fácil instalación; ya que pueden ser izados sin giros complicados tras su montaje en el suelo como pieza única. Sin embargo, los problemas estructurales que presentan, sobre todo durante los periodos de orientación, y los inconvenientes asociados a un control más complejo y a una mayor emisión de ruido han llevado a que estos sistemas no hayan pasado prácticamente de la fase de prototipos. El autor considera que sería beneficioso realizar simulaciones con rotores tipo hélices, en los que se insertará el análisis de estos frente a su variedad de número de palas, tanto para el monopala, bipala como el tripala. Pero debido a que no se cuenta con una amplia capacidad computacional, solamente se analizará el rotor tripala, como respuesta de la simulación del rotor eólico para el pequeño aerogenerador CETA-Solar. Un aspecto importante a tener en cuenta para la realización de simulaciones de rotores, es el análisis de la orientación a la que estará expuesto el eje de rotación. Domínguez (2007), plantea que los rotores hoy en día se clasifican por la orientación de rotor (barlovento y sotavento), donde las máquinas en posición de barlovento necesitan un sistema de orientación activo ya que la velocidad del viento inicialmente incide sobre el rotor eólico y posteriormente sobre la torre. Por el contrario, las máquinas orientadas a sotavento utilizan un sistema de orientación pasivo que se basa en inclinar. 7.

(16) Capítulo I ligeramente las palas. En la figura 1.3 se indica la posición de una máquina eólica según la orientación del rotor.. Figura 1.3 Disposición sotavento y barlovento El autor considera que cuando el rotor no está orientado, las palas que se encuentran a favor del viento reciben un empuje aerodinámico que tiende a variar la orientación del rotor hacia la posición de equilibrio. A pesar de utilizar un sistema de orientación activo, la configuración a barlovento es la opción elegida por la inmensa mayoría de los fabricantes debido a las elevadas cargas aerodinámicas que aparecen sobre la máquina cuando la disposición es a sotavento. Por ello, es importante destacar que para la realización del caso de estudio a desarrollar posteriormente, el rotor eólico estará orientado a barlovento. Esta orientación es seleccionada por el autor quien, considera que cuando incide una corriente de viento sobre la superficie del rotor, se aprovechará la máxima captación de la energía cinética del viento a través de los componentes que conforman el rotor, figura 1.4.. Figura 1.4 Viento incidente sobre el rotor. 8.

(17) Capítulo I 1.4 Componentes del rotor eólico El rotor eólico está formado por un amplio conjunto de componentes los cuales giran fuera de la góndola del aerogenerador. Desde el punto de vista de diseño y fabricación, cada uno de los componentes del rotor se puede considerar como elementos independientes. Sin embargo, cuando se estudia su funcionamiento, es muy adecuado incluirlos, como partes del rotor eólico o bien como componentes del tren de potencia (Funes, 2009). El autor constata que el rotor eólico sobre el cual se realizará posteriormente el estudio está conformado por dos componentes. Estos componentes son: . Buje. . Palas. 1.4.1 Buje El buje es el elemento de unión de las palas con el sistema de rotación. Los bujes se pueden clasificar en dos tipos: bujes rígidos y bujes basculantes (Funes, 2009). . Buje rígido. En este tipo de sistemas la pala se atornilla al buje y esta se fija rígidamente al eje de giro. Las palas se comportan respecto al sistema de giro como una viga en voladizo que transmite todas las cargas que recibe directamente al tren de potencia. Este tipo de bujes se emplea en máquinas de tres palas donde el rotor está dinámicamente más equilibrado. . Buje basculante. Para reducir las cargas que se producen en los bujes rígidos una opción es utilizar bujes basculantes. Estos bujes están conectados al tren de potencia a través de un apoyo que les permite pivotar libremente. Esta pieza permite pequeños movimientos (ángulos menores a un ± 10 %) en dirección perpendicular al rotor respecto al plano de rotación. La frecuencia de este movimiento es proporcional a la velocidad de giro del aerogenerador (un ciclo por revolución, 1P). Este tipo de bujes se emplea con frecuencia en rotores de dos palas, ya que el efecto pivote hace que se equilibren las cargas aerodinámicas en cada vuelta.. 9.

(18) Capítulo I El autor para desarrollar el estudio cuenta con un buje rígido, el cual estará ensamblado directamente con las palas, como un sistema de sujeción fijo. 1.4.2 Palas Según el autor, dentro de los componentes que conforman al rotor eólico las palas son el elemento aerodinámico más importante a tener en cuenta ya que estas son las encargadas de convertir de forma eficiente la energía cinética y de presión del aire en energía mecánica. Donde los principales factores que se necesitan para realizar la simulación de rotores son: . Coeficientes aerodinámicos. . Perfil aerodinámico. . Material de fabricación. . Coeficientes aerodinámicos. Los coeficientes aerodinámicos son números adimensionales que se utilizan para el estudio aeronáutico o aerodinámico de las fuerzas y momentos que sufre un cuerpo cualquiera en movimiento en el seno del aire. Algunos de los coeficientes más conocidos son el coeficiente de sustentación Cl, el coeficiente de resistencia Cd y el coeficiente de penetración (Cx). La adimensionalización de las magnitudes se realiza con el fin de aprovechar las simplificaciones que el análisis dimensional aporta al estudio experimental y teórico de los fenómenos físicos (Izquierdo, 2001). El tipo de perfil aerodinámico es uno de los parámetros de diseño más determinantes en el funcionamiento de turbinas eólicas rápidas. La influencia del perfil sobre el coeficiente de potencia del aerogenerador viene determinada por el denominado rendimiento aerodinámico L/D, que es el cociente entre la fuerza de sustentación y la de arrastre. Esta dependencia se observa claramente cuando el aerogenerador entra en pérdida ya que el cociente L/D se reduce drásticamente y de igual forma el coeficiente de potencia. . Perfil aerodinámico. Izquierdo (2001), define que los perfiles convencionales utilizados en generación eólica son los de la serie NACA230XX y NACA44XX, que tienen valores de rendimiento aerodinámico, L/D entre 100 y 120, con coeficientes de sustentación de operación de 1.0 a 1.1. Estos tipos de perfiles tienen la propiedad de presentar un reducido valor del. 10.

(19) Capítulo I coeficiente de arrastre para un amplio margen de ángulos de ataque. No obstante, son bastante sensibles a la rugosidad superficial provocada por la adhesión de polvo, insectos etc. El problema de la rugosidad superficial de las palas es particularmente importante en rotores diseñados para controlar su potencia por pérdida aerodinámica. Cuando la rugosidad aumenta las actuaciones del perfil se reducen rápidamente en la zona de máxima sustentación y el desprendimiento del flujo se produce para ángulos de ataque reducidos, lo que provoca que el fenómeno de la pérdida aerodinámica aparezca a velocidades del viento reducidas. El autor considera que las palas tradicionalmente son desarrolladas teniendo en cuenta un conjunto de factores que influyen sobre la morfología de las mismas, estos factores están implementados principalmente sobre datos de rendimiento aerodinámico, es decir la obtención de datos de coeficientes de arrastre y sustentación. Estos datos pueden estimarse mediante dos vías fundamentales: la experimental y la teórica, para la experimental se emplean túneles de viento y maquetas a escala, aprovechando las técnicas del análisis dimensional. La vía teórica se basa en la aplicación de la dinámica de fluidos computacional (también conocida como CFD, del inglés Computacional Fluid Dynamics), que trata de resolver las ecuaciones de la mecánica de fluidos aplicadas al cuerpo de estudio mediante análisis numérico con la ayuda de ordenadores. El autor para la selección de los perfiles aerodinámicos que se utilizarán como base para la simulación de rotores eólicos, implementa su selección sobre trabajos de referencia al tema, realizados por el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), perteneciente a la Universidad Central de Las Villas (UCLV). Siverio (2010), realizó un estudio sobre la calibración del software Fluent Inc. para estimar datos de coeficientes del perfil S809 utilizado en palas de aerogeneradores. En tal estudio se compararon los resultados experimentales obtenidos en túneles y los obtenidos en los ensayos realizados con el Fluent Inc. para el perfil seleccionado en un rango de ángulos de ataque desde 0° a 20,15° dando como resultado valores de %Error mayores que 6,6°, tabla 1.1.. 11.

(20) Capítulo I Tabla 1.1 Coeficientes aerodinámicos obtenidos mediante el software Fluent Inc. y su comparación con resultados experimentales, (Siverio, 2010). Alfa (°). Resultados experimentales. 0 1,02 5,13 9,22 14,24 20,15. CL 0,147 0,272 0,761 1,039 1,110 0,911. CD 0,007 0,007 0,007 0,021 0,090 0,185. FLUENT INC. malla en C SparlartAllmaras CL CD 0,137 0,013 0,250 0,011 0,684 0,009 0,97 0,04 0,90 0,10 0,14 0,10. % de error CL 6,7 8,0 10,1 6,6 18,9 89,0. CD 46,2 34,5 22,2 54,5 13,5 85,1. k-épsilon CL 0,139 0,199 0,454 0,68 0,89 0,99. CD 0,036 0,034 0,005 0,04 0,09 0,14. k-épsilon CL 5,4 26,7 40,3 34,5 19,3 9,1. CD 80,6 78,8 40,0 46,4 4,3 29,4. Wolfe y Ochs (1997), en sus simulaciones utilizando el software ACE y comparándolas con resultados obtenidos mediante túneles de viento obtuvieron los siguientes resultados, tabla 1.2. Tabla 1.2 Coeficientes aerodinámicos obtenidos mediante el software Fluent ACE. y su comparación con resultados experimentales, (Wolfe y Ochs, 1997). Alfa (°) 0 1,02 5,13 9,22 14,24 20,15. CL (ACE) 0,156 0,276 0,754 1,058 1,393 1,251. CL (exp.) 0,147 0,272 0,761 1,039 1,110 0,911. % de error 6 1 1 2 25 37. CD (ACE). CD (exp.). % de error. 0,007 0,006 0,007 0,042 0,068 0,178. 0,007 0,007 0,007 0,021 0,090 0,185. 11 14 1 95 25 4. Según (Siverio, 2010), estos resultados son similares debido a que los autores utilizan un modelo de turbulencia el cual no considera la viscosidad del fluido, induciendo a que el experimento numérico se aleje de las condiciones reales, pues debido a que el aire tiene viscosidad y esta varía dependiendo de los cambios en las condiciones atmosféricas. Tales estudios realizados por los autores antes mencionados demuestran el buen comportamiento del perfil S809 para un valor ampliado de ángulos de ataque, por lo cual el autor selecciona el perfil S809 como idóneo para realizar el posterior estudio. Moreno (1992), consolida el estudio sobre perfiles convencionales como los de la serie 230XX y 44XX, los cuales tienen valores de Cl/Cd en el intervalo de 100-120 con coeficientes de sustentación Cl de operación entre 1.0 – 1.2. Su estudio se implementó. 12.

(21) Capítulo I sobre el perfil Wortman FX-72-MS-150b, perfil con el cual se habían desarrollado anteriormente la fabricación de las palas del pequeño aerogenerador CETA-Solar con anterioridad a su paralización. Razón por la cual el autor pretende utilizar este perfil en la geometría de palas, que se utilizaran para el ensamble del estudio de rotores para condiciones de diseño. Moreno, (2011), realizó un estudio sobre el perfil aerodinámico a utilizar en el diseño de las palas para el pequeño aerogenerador CETA-Solar teniendo en cuenta los coeficientes aerodinámicos utilizando un código de método de los paneles de alto orden, específicamente Qblade, para validar el proceso de diseño preliminar. Se obtuvo como resultado que el perfil NACA 4412 era el más idóneo para la posterior fabricación de las palas según la norma de los criterios analizados para dicha selección. Razón por la que el autor selecciona este perfil para realizar el estudio posterior. En la figura 1.5 se muestran los perfiles seleccionados anteriormente por el autor para desarrollar la geometrías de palas que utilizaran en el ensamble de rotores eólicos para desarrollar su análisis numérico en condiciones de diseño.. Figura 1.5 Perfiles aerodinámicos . Material de fabricación. Las palas van a estar sometidas a condiciones de trabajo muy duras, como fenómenos de corrosión, erosión, contracciones y dilataciones debidas a las vibraciones (fatiga). De ahí que sea muy importante tener en cuenta el material con que se construyan. En su fabricación se pueden utilizar materiales baratos como la madera, pero una de las soluciones más interesantes consiste en utilizar estructuras de aleaciones de aluminio (duroaluminio), con chapa fina, larguero central resistente y costillas que proporcionen una cierta rigidez (García, 2008).. 13.

(22) Capítulo I Esta parece la concepción más simple pero quizás sea la más costosa; por ello se pueden utilizar otros procedimientos como sustituir el aluminio por acero con el inconveniente de mayor peso para resistencias análogas. Otro tipo de estructura previsible es la fibra de vidrio, que se puede realizar de diversas formas. Se pueden construir mediante bobinado o colocando fibras de vidrio en sentido longitudinal o en dirección de eje, con lo que la resistencia aumenta considerablemente; estas fibras pueden ser, complejos de resinas sintéticas (fibra de vidrio + resina epoxy), (fibra de vidrio + poliésteres), (fibra de vidrio + elastómeros). En la construcción de la parte móvil de las palas se puede utilizar plástico armado debido a su ligereza y resistencia, y para la parte fija; plástico y acero. Spera (1994), determinó que las palas de eje horizontal son completamente hechas por materiales compuestos. Los materiales compuestos satisfacen el complejo diseño y condiciones de operación requeridas, ya que proveen de buena resistencia estática y a la fatiga. El autor apoyándose en las publicaciones de (García, 2008) y (Spera, 1994) considera que la fabricación de las palas del pequeño aerogenerador CETA-Solar mediante materiales tradicionales como, la madera y el aluminio, no deja de ser sin dudas una vía factible, pero la utilización de materiales compuestos es mucho más factible ya que estos poseen un excepcional dureza, buena resistencia eléctrica, resistencia a la corrosión e intemperie, baja conductividad térmica y baja inflamabilidad. Por ello para la fabricación de las palas del pequeño aerogenerador se utilizará un material compuesto, específicamente poliéster o resina epoxy reforzado con fibra de vidrio, figura 1.6. .. Figura 1.6 Estructura del material compuesto, poliéster o resina epoxy reforzado con fibra de vidrio (Rosen, 2007). 14.

(23) Capítulo I 1.5 Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) A nivel mundial los estudios realizados, sobre rotores eólicos complementan su análisis mediante la utilización de túneles de viento, métodos analíticos de cálculo y el uso de la Dinámica de los Fluidos (CFD). Sacco (2005), realizó un estudio de análisis estático de un rotor, donde implementa la utilización de un túnel de viento, para validar los resultados obtenidos del análisis de simulación mediante el uso de la Dinámica de los Fluidos (CFD). Tal estudio lo realizó para dos casos, tanto el rotor en un flujo libre como dentro del túnel, donde plantea que los resultados conseguidos de los ensayos pueden ser utilizados para verificar nuevamente el código de (CFD). Debido a la forma geométrica complicada del modelo la comparación realizada en el trabajo confirma la efectividad de los programas computacionales (CFD), para la simulación de rotores eólicos. El autor plantea que la utilización de túneles de viento, como herramienta experimental para realizar estudios aerodinámicos es la manera más verídica de obtener datos de comportamiento de perfiles aerodinámicos, aunque resulta ser un trabajo largo y tedioso. Nuestro país cuenta con un túnel de viento, el cual está instalado en la Ciudad de la Habana, específicamente en el Instituto Nacional de Meteorología con fines de equilibrar anemómetros, pero debido que este no está al alcance de nuestras posibilidades, no se han podido realizar estudios experimentales de perfiles aerodinámicos y palas de pequeños aerogeneradores, por lo que el autor constata que aunque existen limitaciones con la introducción de software al país, sí se cuenta con software especializados en la Dinámica de los Fluidos (CFD). 1.5.1 Antecedentes de CFD Este método, CFD comenzó en los años 60 en la industria aeroespacial, y desde entonces ha madurado convirtiéndose a partir de los 80 en una herramienta vital para la predicción del flujo de fluidos. En los 90 se ha expandido de forma significativa a distintas aplicaciones y procesos industriales en los que interviene la transferencia de calor, reacciones químicas (como combustión), flujos bifásicos, cambios de fase, transferencia de masa y esfuerzos al interactuar con sólidos, entre otros (Anderson, 1995). Martínez (2011), expresa que la introducción del método CFD a los ordenadores y por ende, también al CAD (Computer Aided Design), representa en la actualidad un gran. 15.

(24) Capítulo I avance y un muy provechoso aporte en la etapa de diseño. Gracias a este método es posible generar sólidos de aspecto casi real mediante la simulación numérica, facilitando así el trabajo del ingeniero, permitiendo un conocimiento más profundo del producto que se está diseñando, incluso antes de que este exista realmente, anticipándose así a detectar fallos que de otra forma, solo se detectarían sobre su uso. Con lo anterior se concluye que es posible que los ingenieros puedan diseñar más rápidamente y mejor, con lo cual se tendría un producto de mejor calidad, más rápido, competitivo y quizás ofreciendo mejores costos. 1.5.2 Aplicaciones de CFD Las posibilidades de aplicación de (CFD) a distintos procesos son enormes. Algunos ejemplos son: . Sistemas de calefacción, ventilación, climatización y refrigeración.. . Aeroespacial/Defensa: perfiles de alas, misiles y estudios de aerodinámica externa.. . Industria agroalimentaria: procesado y envasado de alimentos, diseño de equipos.. . Industria automoción: aerodinámica, combustión en motores, componentes.. . Energía: petróleo, gas, generación eléctrica, turbomaquinaria.. . Industria química: combustión, filtración, mezcla, separadores, reactores.. . Industria electrónica: semiconductores, enfriamiento de elementos.. . Industria biomédica.. . Industria naval.. . Industrias del metal.. . Industria deportiva: automovilismo, vela, estadios.. Todas las posibilidades de aplicación antes expuestas son las que le permiten al autor realizar estudios numéricos sobre los cuales analizaran el comportamiento de rotores eólicos para diferentes condiciones de viento. 1.5.3 Ventajas y desventajas en la utilización de CFD Como se ha discutido, mediante los CFD solo se obtiene una solución aproximada de las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos. Es por ello que la utilización. 16.

(25) Capítulo I de software puede ser muy útil, pero al mismo tiempo se corre el riesgo de introducir errores durante el cálculo, conllevando así, a la obtención de resultados inciertos. Ventajas: . El cálculo CFD es una herramienta muy buena de pre diseño que permite. reemplazar en algunos casos costosos, ensayos experimentales. . Las simulaciones pueden ser ejecutadas en un corto período de tiempo.. . Las condiciones de entrada de datos pueden variarse continuamente en los. procesos de simulación. . Permite resolver problemas de flujos complejos y aporta comprensión de fenómenos. difíciles de observar y medir. . Se utiliza como una herramienta complementaria en el diseño de aeronaves, de. vehículos y de sus elementos, dando una buena aproximación de su forma y geometría final. . Permite realizar ensayos numéricos en cortos períodos de tiempo con gran fidelidad,. y sin elevar los costos de manera considerable. Desventajas: . Para resolver problemas de flujos complejos, es necesaria una gran potencia de. cálculo. . Las mayores limitaciones vienen dadas por las incertidumbres debidas a los. modelos de turbulencia y el tiempo necesario para realizar la malla y para ejecutar el cálculo. . Muchas veces es necesario estudiar los elementos más importantes por separado. para optimizarlos. Luego, se ensambla toda la estructura a fin de calcular la aerodinámica completa con las distintas interacciones entre elementos y el fluido. 1.5.4 Selección de Software CFD a utilizar El autor basándose tanto en las aplicaciones como ventajas y desventajas de la utilización de la Dinámica de los Fluidos (CFD) y teniendo en las potencialidades y capacidades de los software CFD con los que cuenta para realizar la simulación de rotores eólicos, selecciona el software ANSYS 14.0.. 17.

(26) Capítulo I Dentro del paquete de aplicaciones del software ANSYS 14.0 se encuentra el simulador Fluent, el cual trabaja bajo el método de “volúmenes finitos”, como método numérico de solución y que permite modelar el flujo de fluidos y la transferencia de calor en geometrías complejas, geometrías malladas que se pueden generar en dos dimensiones con estructuras internas triangulares o cuadriláteras, y en tres dimensiones con estructuras tetraédricas, hexaédricas, pirámides, cuñas y mallas mezcladas (híbridos). Capacidades del FLUENT . Flujos en dos o tres dimensiones, usando geometrías inestructuradas adaptables a. la solución. . Flujos comprensibles o incomprensibles.. . Análisis estacionario o transitorio.. . Flujos no viscosos, laminares y turbulentos.. . Flujos newtonianos o no newtonianos.. . Transferencia de calor convectiva, incluyendo convección natural o forzada.. . Transferencia de calor conjugada conducción/convectiva.. . Transferencia de calor por radiación.. . Estructuras con referencia a movimientos múltiples.. . Múltiples marcos de referencia y opción de malla deslizable.. . Reacción y mezcla de especies químicas, incluyendo sub-modelos de combustión y. modelos de deposición en superficies. . Términos fuente volumétrico de calor, masa, momento, turbulencia y especies. químicas. . Cálculos de trayectorias lagrangianas para fase dispersa (partículas, gotas,. burbujas), incluyendo modelos para espray y películas delgadas. . Flujo a través de medios porosos.. . Modelos para ventiladores, radiadores e intercambio de calor.. . Flujos bifásicos, incluyendo capitación.. 18.

(27) Capítulo I Aplicaciones del FLUENT . Generación de potencia, aceite/gas y aplicaciones en el medio ambiente.. . Aplicaciones aeroespaciales y turbomaquinaria.. . Aplicaciones automovilísticas.. . Aplicaciones en la transferencia de calor.. . En la electrónica.. . Procesamiento de materiales.. . Diseño arquitectónico.. . Investigación de incendios.. El Fluent presenta una interacción amplia y fácil con el usuario, siempre y cuando el mismo previamente haya analizado el caso de estudio para concentrarse en introducir al programa los datos necesarios. La estructura general para el uso del simulador se basa en una serie de pasos tales como: 1. Crear la geometría. 2. Escoger el tipo de solución deseada. 3. Importar la malla construida para la geometría. 4. Chequear sus dimensiones y número de elementos. 5. Escoger los modelos y las ecuaciones necesarias para resolver. 6. Especificar las condiciones de borde. 7. Ajustar los parámetros de la solución. 8. Inicializar el sistema. 9. Ejecutar el programa. 10. Analizar los resultados. Las aplicaciones y capacidades que presenta el simulador Fluent, son las que le permiten al autor desarrollar el análisis de flujo de fluidos que incidentes sobre la. 19.

(28) Capítulo I envergadura de rotores eólicos, para analizar así el comportamiento de estos para diferentes condiciones de diseño. 1.6 Conclusiones Parciales 1.. Entre los métodos utilizados para la simulación de rotores eólicos, se utilizará la. aplicación de la dinámica de fluidos computacional, específicamente el simulador ANSYS 14.0-FLUENT, debido a que no esta al alcance de nuestras posibilidades la utilización de un túnel de viento. 2.. Se seleccionan los perfiles NACA 4412, S809 y el Wortman FX-72-MS-150b como. los idóneos para la obtención de las geometrías de los rotores eólicos, que se utilizarán en el análisis de la simulación mediante la aplicación de los métodos de dinámica de fluidos computacional.. 20.

(29) Capítulo II CAPÍTULO II: MODELADO Y SIMULACIÓN 2.1 Introducción El modelado y simulación son procedimientos inseparables que incluyen actividades complejas, asociadas con la construcción de modelos que representan procesos reales y con la experimentación de los modelos para obtener datos del comportamiento del sistema que se modela. Así, el modelado trata principalmente las relaciones entre los procesos dinámicos reales y sus modelos; la simulación se refiere a todas las relaciones entre el modelo y la herramienta de simulación. El análisis realizado en el Capítulo anterior permitió la selección tanto de los perfiles a utilizar para el desarrollo del modelado de las palas que se emplearán en el estudio de la simulación de los rotores eólicos del pequeño aerogenerador CETA-Solar, como el software (CFD) sobre el cual se validarán los resultados obtenidos. En este Capítulo el autor realizará la discretización de todos los componentes que conformarán el rotor así como las condiciones iniciales bajo las cuales se desarrollarán las simulaciones. 2.2 Conceptualización de etapas para las simulaciones numéricas Durante el desarrollo de este epígrafe el autor expone los datos con los que se cuenta para obtener la morfología de los componentes que conforman el rotor eólico, así como las consideraciones que tuvo en cuenta para la obtención del modelado de los rotores. 2.2.1 Discretización de la Geometría Durante la discretización de la geometría se pretende obtener las geometrías de los componentes que conforman el rotor eólico expuestos en el epígrafe 1.4. Para ello se analizarán los datos con los que cuenta el autor para desarrollar la geometría de los componentes que posteriormente se ensamblarán para obtener el modelado de los rotores sobre los cuales se desarrollarán los ensayos numéricos. . Las palas. Como base para la descripción de las características que presentaran las palas que se utilizarán para el estudio, el autor en el Capítulo anterior seleccionó los perfiles aerodinámicos sobre los cuales se pretenderá desarrollar la morfología de las palas, donde se intentará realizar el estudio para seis palas, cuales estarán desarrolladas con diferentes geometrías, es decir, en las etapas iniciales el autor propone, obtener la. 21.

(30) Capítulo II geometría de las palas con los perfiles NACA 4412, S809 y el Wortman FX-72-MS-150b para una misma cantidad de puntos, con igual longitud de cuerda, un mismo radio, pero para tres palas curvas con ángulos de pala iguales y tres palas rectas. El autor cita que el número de puntos, longitud de cuerda, radio y ángulos de pala son los de las palas con las que estaba trabajando el pequeño aerogenerador CETA-Solar, implementados sobre la base del perfil Wortman FX-72-MS-150b, desarrollado por los laboratorios Wortintong y utilizado por Moreno, (2005) para aerogeneradores de baja potencia específicamente 1.5 kW. En la tabla 2.1 el autor presenta los datos del número de cuerdas, radio, longitud y ángulos con los que se habían construido con anterioridad las palas que estaban en funcionamiento en el pequeño aerogenerador CETA-Solar. Estos datos fueron extraídos de trabajos realizados por (Moreno, 2005). Tabla 2.1 Forma geométrica de la pala (Moreno, 2005) Puntos. Radio de la pala (mm). Longitud de la Cuerda. Ángulo de la pala (grados). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18. 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900. 220 212 203 195 187 179 170 162 153 145 137 126 120 112 103 95 87 70. 63,4 53,1 45,0 38,7 33,7 29,7 26,6 24,0 21,8 20,0 18,4 17,1 15,9 14,9 14,0 13,2 12,5 11,3. Estos perfiles fueron desarrollados utilizando los Códigos de diseño Eppler (Eppler y Somers, 1980), razones por lo cual la superficie está definida por una tabla de coordenadas en lugar de una expresión analítica (Wolfe, 1997). En el (Anexo I), se muestran las coordenadas de los contornos de los perfiles NACA 4412, S809 y el Wortman FX-72-MS-150b.. 22.

(31) Capítulo II . El cubo. El cubo del rotor sobre el cual van a estar montadas la palas se caracterizará por tener una geometría sencilla, que consta de un cilindro unido a tres pequeñas barras cilíndricas insertadas alrededor de la geometría, equidistantes entre sí a 120º, como se muestra en la figura 2.1.. Figura 2.1 Croquis del cubo del rotor 2.2.2 Obtención de la Geometría El autor plantea que la obtención de la geometría se realizará sobre la base de una herramienta de software, que permita obtener los diferentes modelos de los componentes antes citados en 3D así como el ensamble de estos para la obtención de las geometrías de los rotores eólicos a utilizar, como base para el estudio posterior. La experimentación previa de los componentes de los rotores estará desarrollada en 3D ya que en estudios anteriores realizados, se ha desarrollado y analizado la geometría de estos en 2D y en túneles de viento. . Herramienta de software a utilizar. Durante la etapa de obtención de geometría de las palas, no es posible trabajar con la herramienta CAD del ANSYS 14.0, debido a que para obtener la geometría complicada de las palas, es necesaria la importación de un Excel, en el cual se insertaron los valores de puntos de coordenadas de los perfiles para convertirlos en puntos paramétricos de salida, donde el software si permite la introducción de datos, pero para un formato el cual se desconoce, por tal motivo el autor define que es necesaria la utilización de una herramienta que permita realizar tales modelos en cortos periodos de tiempo y con gran fiabilidad, para ello se cuenta con el software Autodesk Inventor 2012, el cual exporta las geometrías obtenidas en formatos compatibles con los de importación del ANSYS 14.0.. 23.

(32) Capítulo II El software Autodesk Inventor 2012 se basa en técnicas de modelado paramétrico donde los usuarios pueden diseñar piezas que se pueden combinar en ensamblajes. Este permite modelar la geometría, dimensión y material de manera que si se alteran las dimensiones, la geometría actualiza automáticamente basándose en las nuevas dimensiones. Permite que el diseñador almacene sus conocimientos de cálculo dentro del modelo, a diferencia del modelado no paramétrico, que está más relacionado con un tablero de bocetos digitales. También pueden utilizarse los planos de trabajo para producir los bocetos que se pueden compensar de los planos útiles de la partición. La ventaja de este diseño es que todos los bocetos y las características se pueden corregir más adelante, sin tener que hacer de nuevo la partición entera. Este método de modelado permite la creación de ensamblajes muy grandes y complejos, especialmente porque los sistemas de piezas pueden ser puestos juntos antes de que se ensamblen en el ensamblaje principal. . Construcción de la geometría de la palas. Para obtener una correcta construcción de las palas para las simulaciones, se insertan primeramente los valores de coordenadas de la superficie de los perfiles en un Excel, el cual permite la introducción de los puntos paramétricos de salida a Inventor 2012 mediante un spline, estos puntos son desplazados en la dirección opuesta al gradiente para generar una nueva geometría, aplicando el proceso a los puntos de control. Posteriormente a ello el autor introduce los planos en los que estarán expuestas las cuerdas de la pala según su radio y longitud. La figura 2.1 muestra la forma geométrica del contorno construido a partir del radio y longitud de la forma geométrica de pala expuesta en la tabla 2.2.. Figura 2.2 Contorno de las palas. 24.

(33) Capítulo II Seguido a ello se realiza un (Loft), sobre el contorno de la pala y se obtiene el modelado de la pala, figura 2.3.. Figura 2.2 Modelado de la pala La figura 2.3 Muestra el cubo rotor sobre el cual se ensamblaran las palas.. Figura 2.3 Modelado del rotor El autor a partir de obtener los componentes que conforman el rotor eólico los ensambla obteniendo los rotores eólicos necesarios para realizar las simulaciones numéricas con el software Fluent, (Anexo II). En la figura 2.4 se representa el rotor construido a partir del perfil NACA 4412 y palas rectas.. Figura 2.4 Rotor eólico. 25.

(34) Capítulo II Para las etapas iniciales de la obtención de los rotores o geometrías CAD el autor tuvo en consideración los ángulos de ataque a los que estarían expuestas las palas al ser construido un rotor en condiciones reales. . Para todos los ensambles realizados con palas curvas, desarrolladas con los perfiles. NACA, NREL y Wortman se insertaron valores de ángulo de ataque de 63.4°, valor al que estaban expuestas las palas curvas del pequeño aerogenerador CETA-Solar. . Para el ensamble de las palas rectas desarrolladas con el perfil S809 se utilizó un. valor para el ángulo de ataque de 5.13°, valor recomendado por Siverio, (2010), en su trabajo de curso y comparado con valores experimentales obtenidos en túneles de viento. . Las palas rectas construidas con el perfil Naca 4412, tendrán un ángulo de ataque. de 11.2°, valor seleccionado por el autor con anterioridad en estudios realizados y comparados tanto con valores experimentales obtenidos en túneles de viento como por estudios realizados por (Garrison, 2002). . Las palas rectas desarrolladas con el perfil Wortman FX-72-MS-150b estarán. expuestas a un ángulo de ataque de 10.3°. El autor selecciona este valor de ángulo de ataque apoyándose en las publicaciones expuestas por Moreno, (1992), así como por datos experimentales obtenidos en túneles de viento. 2.3 Software de Simulación Como base para las etapas iniciales, el autor en el Capítulo anterior seleccionó la implementación de un software de Dinámica de los Fluidos (CFD), para desarrollar la simulación de los rotores eólicos. Apoyándose sobre la base de los software con los que disponía, estimó el simulador ANSYS 14.0-FLUENT como el idóneo para realizar tal estudio. 2.3.1 Exportación del modelo En un principio se modelaron y se ensamblaron todos los componentes que conforman el rotor eólico en el software Autodesk Inventor 2012, donde posteriormente el modelado de la geometria se convirtió en un sólido para así poder exportarlo guardándolo con la extensión (asci), para lograr importarlo al paquete computacional ANSYS 14.0, figura 2.5.. 26.

(35) Capítulo II. Figura 2.5 Importación de la geometría en ANSYS 2.3.2 Construcción de los dominios computacionales El dominio es un espacio, ya sea en dos o tres dimensiones, donde se realizan las simulaciones.. Para. este. trabajo. es. necesaria. la. construcción. de. dominios. computacionales ya que el problema que se estudia es de flujo externo. En problemas de flujo interno no es necesaria su aplicación, pues en esos casos el dominio está conformado por la misma estructura. El dominio es un elemento de gran importancia debido a que influye directamente sobre los resultados, (Fariñas, 2005), un dominio óptimo es aquel de 8 a 10 veces mayor que el sólido. En el presente estudio se analizará el rotor bajo la influencia de un dominio cilíndrico, con diámetro de 19100 mm y longitud 2000 mm, es decir 10 veces mayor que el tamaño del rotor. Este tamaño de dominio se ha seleccionado considerando que es el más recomendado por Fariñas, (2005), como por Lisan, (2010), por ello ha sido seleccionado esas dimensiones relativas entre el sólido en estudio y el entorno del fluido para la presente investigación, las proposiciones pueden ser apreciadas en la figura 2.6.. Figura 2.6 Dominio 10 veces mayor que el sólido. 27.

(36) Capítulo II 2.3.3 Construcción de la malla del rotor en ANSYS Una vez construida las geometrías del dominio se procede a generar la malla. El proceso consiste en dividir el volumen de la geometría en pequeñas celdas o elementos, los cuales definen los nodos donde posteriormente el software realizará los cálculos. La figura 2.7 presenta la importación de la geometría para la generación del mallado.. Figura 2.7 Importación de la geometría Básicamente, existen dos tipos de mallados: . Mallados estructurados: cada punto de la malla está inequívocamente identificado. por los índices i, j, k, en coordenadas cartesianas. Las celdas de la malla son cuadriláteros en 2D y hexaedros en 3D. . Mallados no estructurados: las celdas y los nodos de la malla no tienen un orden. particular, es decir, las celdas y nodos cercanos a uno dado, no pueden identificarse directamente por sus índices. Los elementos de la malla, en este caso, son una mezcla de cuadriláteros y triángulos en 2D; y tetraedros y hexaedros en 3D. Otero (2008), considera que la ventaja de los mallados estructurados reside en la ordenación de los elementos en memoria, ya que de esta forma, el acceso de las celdas vecinas a una dada resulta muy rápido y fácil, sin más que sumar o restar un número al valor del índice correspondiente. Estas pueden representarse en un sistema cartesiano o curvilíneo, en el primer caso las líneas que configuran las celdas son siempre paralelas al sistema de ejes de coordenadas; por el contrario, en los sistemas curvilíneos, el sistema de coordenadas es formado para adaptarse a la geometría del objeto de estudio. Velázquez (2009), define que los mallados no estructurados ofrecen gran flexibilidad en el tratamiento de geometrías complejas. La principal ventaja de los mallados no estructurados reside en que los triángulos (2D) o los tetraedros (3D), se pueden generar automáticamente, independientemente de la complejidad del dominio. En la práctica, es necesario determinar unos parámetros adecuadamente para obtener una buena calidad de malla. El tiempo requerido por una computadora para generar un mallado no. 28.

(37) Capítulo II estructurado es mucho menor que el que requiere para uno estructurado. Otra ventaja de este tipo de metodología es que la solución obtenida depende del refinamiento que se le realice a la malla. El autor basándose en Velásquez, (2009), establece que para el estudio el problema será tratado en tres dimensiones, donde se selecciona el elemento tetraédrico para la construcción de las mallas no estructuradas, figura 2.9. Este tipo de malla es seleccionada debido a que en las capas límites, las variables de flujo cambian con rapidez en la dirección normal a la pared, donde se requieren mallas de altas resoluciones en la cercanía de esta y que permiten una resolución mucho más fina en la interacción del viento con el rotor eólico.. Figura 2.8 Elementos tipos para construir una malla en 3D Es importante destacar que ante todo la solución del problema está directamente relacionada con la calidad de la malla. Es por ello que durante el proceso se deben controlar aspectos tales como la densidad del mallado, debido a que una mayor densidad provee mejores resultados, aunque esto puede acarrear un coste computacional excesivo.. Figura 2.9 Malla generada software ANSYS 14.0-Fluent. 29.

(38) Capítulo II La figura 2.9 muestra la densidad de malla, dentro de un dominio 10 veces mayor que el rotor eólico. Esta densidad de mallado es la que se utilizará para nuestra investigación. El mallado utilizado, está compuesto en todo el dominio por mallas tetraédricas refinadas, ya que sobre la superficie de los rotores eólicos se requieren mallas de altas resoluciones producto a que en las capas limites las variables cambian con rapidez en la dirección normal de la pared, debido a la interacción del viento. La malla utilizada está constituida en todo el dominio a partir de elementos de 5 mm de longitud, de los cuales 2557 son triangulares y 1788132 tetraédricos, conectados por 282727 nodos. 2.3.4 Problemáticas presentadas en el mallado Debido a la complejidad de las geometrías de los rotores eólicos, se presentaron problemas para la generación del mallado sobre la geometría de todos los rotores ensamblados con palas curvas, así como los ensamblados con las palas rectas con base a los perfiles FX-72-MS-150b y S809, esto debido a que el software ANSYS 14.0 y específicamente su mayador Mesh, no se adapta a la complejidad existente en la geometría de las palas. Los problemas generados son producto de que para obtener el geometría de una pala determinada, hay que construir diferentes planos a la distancia que estén situadas las cuerdas de la pala que son las que le otorgan la forma geométrica, (epígrafe 2.2.2) y debido a esta forma geométrica y la complejidad del perfil es que se generan los errores en el mallado de las palas. Para el mallado de las palas construidas con el perfil NACA 4412 no se presentaron problemas porque este perfil no es del todo complejo como el S809 y el FX-72-MS-150b. El autor probó dar solución a esta problemática, analizando la posibilidad de realizar el mallado de estos rotores sobre la base de malladares portables, como el Gambit, Netgen, Gmesh, cuales si posibilitaron la obtención de los mallados y exportación de estas geometrías, pero el problema nuevamente aparece cuando se trata de importar esta geometría hacia el Mesh, lo cual valida que el problema existente no está en la implementación y obtención del modelado de los rotores sino en el mayador que utiliza el ANSYS 14.0. Es importante mencionar que no se pudieron mallar las geometrías debido a la imposibilidad del software, pero sí se obtuvieron la geometría de todos los rotores eólicos. Por todos los motivos antes mencionados el autor realizará la simulación de la geometría del rotor construido en tres dimensiones obtenido a partir de las palas rectas. 30.

(39) Capítulo II y perfil NACA 4412 utilizando el método de dinámica de fluidos computacional para diferentes condiciones de viento. 2.4 Condiciones iniciales bajo las cuales se realizarán los ensayos Una vez construido el rotor eólico desarrollado con el perfil Naca 4412 y palas rectas, el dominio, la malla, y establecidas las condiciones de contorno, se procede a exportar la geometría para el simulador Fluen, figura 2.10.. . Figura 2.10 Exportación de la geometría Se selecciona este “solver” debido a que, el problema es de flujo incompresible y este tiene en cuenta las características de las condiciones exteriores (velocidad del viento). . Modelo de turbulencia. Para seleccionar el modelo de turbulencia, se tuvieron en cuenta criterios citados por diferentes autores que han trabajado sobre la base del tema. Fariñas (2005), plantea que el modelo de turbulencia Spalart-Allmaras, permite que mediante una ecuación se pueda resolver la viscosidad turbulenta y llegar a la convergencia de modelos para geometrías en dos y tres dimensiones. Siverio (2010), utiliza el modelo de turbulencia Spalart-Allmaras para la obtención de sus resultados, mientras que el modelo k-épsilon lo utiliza para comparar la influencia de los modelos sobre los resultados del problema. El autor apoyándose en las publicaciones de Fariñas, (2005) y Siverio, (2010), selecciona el modelo de turbulencia Spalart-Allmaras para realizar las simulaciones, ya que este es uno de los modelos más ampliamente validados y que el mismo se ajusta a las condiciones físicas del problema. . Condiciones físicas. El autor para realizar el estudio hace incidir una velocidad de viento determinada por el interior del dominio en el cual está el rotor eólico, cual debe girar a una velocidad angular determinada, lo que permite analizar el comportamiento de diferentes parámetros del flujo de viento, siendo de gran relevancia la magnitud de las velocidades, presiones, turbulencias así como vectores de fuerzas y que inciden sobre la superficie del rotor eólico producto a la interacción de este con las velocidades de. 31.

(40) Capítulo II viento incidentes. En la figura 2.11 se muestra un esquema de cómo se implementarán las velocidades incidentes sobre el dominio.. Figura 2.11 Velocidades incidentes . Condiciones iniciales. Para desarrollar el estudio, no se analizará de forma detallada los registros de viento de la zona obtenidos por el Instituto de Meteorológia de la Provincia, sino que se propondrán velocidades medias alcanzadas en el lugar de emplazamiento del pequeño aerogenerador, ya que lo que se quiere analizar es el comportamiento del rotor eólico construido a partir del perfil NACA 4412 y palas rectas en condiciones de diseño. El rotor eólico se analizará para 5 ensayos diferentes, en los que se varían la velocidad del viento desde 6 a 10 m/s para una velocidad de rotación del rotor de 34 rad/s, a una temperatura 27°C y con la utilización del modelo de turbulencia Spalart-Allmaras para realizar los ensayos numéricos. La velocidad angular de rotación del rotor seleccionada anteriormente, se estimó apoyándose en datos obtenidos por Fariñas, (2005), en las etapas en las que el pequeño aerogenerador estaba en funcionamiento. Para insertar este valor de rpm obtenido por Fariñas, (2005), fue necesario convertirlo en (rad/s). Para ello se utilizó la siguiente ecuación.. . 2   n 60. (2.1). La temperatura del fluido es un factor que hay que tener en cuenta para desarrollar cualquier problema de ingeniería, por ello para desarrollar nuestro estudio el autor. 32.

(41) Capítulo II propone utilizar una temperatura media de 27°C para todo el contorno del dominio analizado, es decir la temperatura de entrada y salida será la misma ya que el proceso es adiabático. En las condiciones iniciales del “solver” no es necesario especificar el número de Reynolds y el Match pues el software los calcula a partir de la velocidad y la temperatura del fluido. 2.5 Conclusiones Parciales 1. Debido a la imposibilidad de discretizar el mallado de las geometrías de todos los rotores ensamblados con palas y rectas de los perfiles FX-72-MS-150b y S809, solo se realizarán las simulaciones numéricas del rotor eólico construido a partir del perfil NACA 4412 y palas rectas. 2. La forma del mallado utilizado para discretizar el domino es de forma t refinadas, construidas a partir de elementos de 5 mm de longitud, de los cuales 2557 son triangulares y 1788132 tetraédricos, conectados por 282727 nodos. 3. Para poder establecer criterios sobre el comportamiento aerodinámico del rotor eólico es necesario realizar 5 simulaciones, variando las condiciones de entrada en cuanto a la velocidad del viento que va desde 6 a 10 m/s, rotación del rotor de 34 rad/s y el modelo de turbulencia de Spalart-Allmaras.. 33.