Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía

Introducción− La optimización energética de bombas centrífugas comprende diversas formas de estudio, entre ellas, la aplicación de análisis paramétricos sobre una bomba centrífuga comercial, generando cambios dimensionales que puedan ser estudiados a través de CFD y que permitan obtener una configur...

Full description

Autores:
Fontalvo Conrado, Cesar Andrés
Pineda Arrieta, Rafael
Duarte Forero, Jorge
Tipo de recurso:
Article of journal
Fecha de publicación:
2020
Institución:
Corporación Universidad de la Costa
Repositorio:
REDICUC - Repositorio CUC
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.cuc.edu.co:11323/12253
Acceso en línea:
https://hdl.handle.net/11323/12253
https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.01
Palabra clave:
parameterization
energy loss models
turbulent kinetic energy
CFD
energy optimization
parametrización
modelos de pérdida de energía
turbulent kinetic energy
CFD
optimización energética
Rights
openAccess
License
INGE CUC - 2020
id RCUC2_1112d61c6520406257c4ad892971ba1b
oai_identifier_str oai:repositorio.cuc.edu.co:11323/12253
network_acronym_str RCUC2
network_name_str REDICUC - Repositorio CUC
repository_id_str
dc.title.spa.fl_str_mv Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
dc.title.translated.eng.fl_str_mv Energy optimization of centrifugal pumps through parametric analysis in CFD and energy loss models
title Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
spellingShingle Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
parameterization
energy loss models
turbulent kinetic energy
CFD
energy optimization
parametrización
modelos de pérdida de energía
turbulent kinetic energy
CFD
optimización energética
title_short Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
title_full Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
title_fullStr Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
title_full_unstemmed Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
title_sort Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía
dc.creator.fl_str_mv Fontalvo Conrado, Cesar Andrés
Pineda Arrieta, Rafael
Duarte Forero, Jorge
dc.contributor.author.spa.fl_str_mv Fontalvo Conrado, Cesar Andrés
Pineda Arrieta, Rafael
Duarte Forero, Jorge
dc.subject.eng.fl_str_mv parameterization
energy loss models
turbulent kinetic energy
CFD
energy optimization
topic parameterization
energy loss models
turbulent kinetic energy
CFD
energy optimization
parametrización
modelos de pérdida de energía
turbulent kinetic energy
CFD
optimización energética
dc.subject.spa.fl_str_mv parametrización
modelos de pérdida de energía
turbulent kinetic energy
CFD
optimización energética
description Introducción− La optimización energética de bombas centrífugas comprende diversas formas de estudio, entre ellas, la aplicación de análisis paramétricos sobre una bomba centrífuga comercial, generando cambios dimensionales que puedan ser estudiados a través de CFD y que permitan obtener una configuración paramétrica con mejores niveles de eficiencia. Adicionalmente, la incorporación de modelos de pérdida de energía sobre los análisis paramétricos, permite comprender de forma más detallada las causas de reducción de eficiencia bajo distintas condiciones de operación. Objetivo− En este estudio se busca optimizar una bomba centrifuga usando análisis paramétrico en CFD y modelos de perdida de energía, con el fin de mejorar la eficiencia energética. Metodología− Se realizó un análisis energético que combina estudios paramétricos y modelos de pérdida de energía, aplicando la dinámica de fluidos computacional (CFD) por medio del software OpenFOAM. Los modelos constaron de 4 configuraciones geométricas: número de álabes, diámetro de salida, ángulo de salida y espesor de salida del impeler. Los modelos energéticos para el estudio de pérdidas de energía se basaron en turbulent kinetic energy (TKE) y el comportamiento de la eficiencia hidráulica. Resultados− Finalmente, se obtuvo que el parámetro que tuvo mayor influencia en la eficiencia y la turbulencia fue el aumento del espesor, disminuyendo las pérdidas de energía más influyentes sobre el desempeño de la bomba, logrando aumentos en la eficiencia de 4.71% y reducción de la TKE en 4.24 m2/s2 respecto a la bomba original. Conclusiones− La interface entre el impulsor y la voluta genera turbulencia por el gradiente de velocidad presente en las partículas, debido a que pasan de altas velocidades a un medio de baja velocidad. Las configuraciones que aumentaban el área de flujo entre los álabes presentaban mayores niveles de eficiencia, al permitir desplazar una mayor cantidad de fluido, permitiendo un comportamiento de las velocidades más adecuado, reduciendo las pérdidas debida a la fricción del fluido con las paredes de la voluta.
publishDate 2020
dc.date.accessioned.none.fl_str_mv 2020-01-27 00:00:00
2024-04-09T20:17:39Z
dc.date.available.none.fl_str_mv 2020-01-27 00:00:00
2024-04-09T20:17:39Z
dc.date.issued.none.fl_str_mv 2020-01-27
dc.type.spa.fl_str_mv Artículo de revista
dc.type.coar.spa.fl_str_mv http://purl.org/coar/resource_type/c_6501
http://purl.org/coar/resource_type/c_2df8fbb1
dc.type.content.spa.fl_str_mv Text
dc.type.driver.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/article
dc.type.local.eng.fl_str_mv Journal article
dc.type.redcol.spa.fl_str_mv http://purl.org/redcol/resource_type/ART
dc.type.version.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.coarversion.spa.fl_str_mv http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
format http://purl.org/coar/resource_type/c_6501
status_str publishedVersion
dc.identifier.issn.none.fl_str_mv 0122-6517
dc.identifier.uri.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/11323/12253
dc.identifier.url.none.fl_str_mv https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.01
dc.identifier.doi.none.fl_str_mv 10.17981/ingecuc.16.1.2020.01
dc.identifier.eissn.none.fl_str_mv 2382-4700
identifier_str_mv 0122-6517
10.17981/ingecuc.16.1.2020.01
2382-4700
url https://hdl.handle.net/11323/12253
https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.01
dc.language.iso.spa.fl_str_mv spa
language spa
dc.relation.ispartofjournal.spa.fl_str_mv Inge Cuc
dc.relation.references.spa.fl_str_mv  CETIM, D. Reeves, NESA, TUDa, “Study on improving the energy efficiency of pumps,” EC, Br, Be, Tech. Report AEAT-6559/ v 5.1, Feb. 2001.
 P. Roudolf and R. Klas, “Numerical simulation of pump-intake vortices,” in EPJ Web Conf., May. 2015, vol. 92, no. 02077, p. 1–6. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202077
 P. Olszewski, “Genetic optimization and experimental verification of complex parallel pumping station with centrifugal pumps,” Appl. Energy, vol. 178, no. 7, pp. 527–539, Sep. 2016. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.084
 F. Meng, H. Zhang, F. Yang, X. Hou, B. Lei, L. Zhang, Y. Wu, J. Wang and Z. Shi, “Study of efficiency of a multistage centrifugal pump used in engine waste heat recovery application,” Appl. Therm. Eng., vol. 110, no. 1, pp. 779–786, Jan. 2017. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.226
 S. R. Shah, S. V. Jain, R. N. Patel and V. J. Lakhera, “CFD for Centrifugal Pumps: A Review of the State-of-the-Art,” Procedia Eng., vol. 51, no. 1, pp. 715–720, Dec. 2013. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.01.102
 J. Duarte, W. Guillín y J. Sánchez, “Desarrollo de una metodología para la predicción del volumen real en la cámara de combustión de motores diésel utilizando elementos finitos,” INGE CUC, vol. 14, no. 1, pp. 122–132, Aug. 2018. https://doi.org/10.17981/ingecuc.14.1.2018.11
 T. Ouchbel, S. Zouggar, M. L. Elhafyani, M. Seddik, M. Oukili, A. Aziz and F. Z. Kadda, “Power maximization of an asynchronous wind turbine with a variable speed feeding a centrifugal pump,” Energy Convers. Manag., vol. 78, pp. 976–984, Feb. 2014. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.08.063
 H. Keck and M. Sick, “Thirty years of numerical flow simulation in hydraulic turbomachines,” Acta Mech., vol. 201, pp. 211–229, Sept. 2008. https://doi.org/10.1007/s00707-008-0060-4
 M. Kawaguti, “Numerical Solution of the Navier-Stokes Equations for the Flow around a Circular Cylinder at Reynolds Number 40,” J. Phys. Soc. Japan, vol. 8, no. 6, pp. 747–757, Nov. 1953. https://doi.org/10.1143/JPSJ.8.747
 J. C. Páscoa, A. C. Mendes and L. M. C. Gato, “A fast iterative inverse method for turbomachinery blade design,” Mech. Res. Commun., vol. 36, no. 5, pp. 630–637, Jul. 2009. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2009.01.008
 R. Barrio, J. Parrondo and E. Blanco, “Numerical analysis of the unsteady flow in the near-tongue region in a volute-type centrifugal pump for different operating points,” Comput. Fluids, vol. 39, no. 5, pp. 859–870, May. 2010. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2010.01.001
 J. Pei, S. Yuan, X. Li and J. Yuan, “Numerical prediction of 3-D periodic flow unsteadiness in a centrifugal pump under part-load condition,” J. Hydrodyn. Ser. B, vol. 26, no. 2, pp. 257–263, Apr. 2014. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(14)60029-9
 E. Dick, J. Vierendeels, S. Serbruyns and J. Voorde, “Performance Prediction of Centrifugal Pumps with CFD-Tools,” Task Q., vol. 5, no. 4, pp. 579–594, Jan. 2001. Available from https://task.gda.pl/files/quart/TQ2001/04/TQ0405E7.PDF
 H. Chen, J. He and C. Liu, “Design and experiment of the centrifugal pump impellers with twisted inlet vice blades,” J. Hydrodyn. Ser. B, vol. 29, no. 6, pp. 1085–1088, Dec. 2017. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(16)60822-3
 X. Zhu, G. Li, W. Jiang and L. Fu, “Experimental and numerical investigation on application of half vane diffusers for centrifugal pump,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 79, pp. 114–127, Dec. 2016. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.10.015
 H. Hou, Y. Zhang, J. Zhang and Z. Li, “Effects of radial diffuser hydraulic design on a double-suction centrifugal pump,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 7th International Conference on Pumps and Fans (ICPF2015), Oct. 18–21, 2015, Hangzhou, China, vol. 129, pp. 1–8. https://doi.org/10.1088/1757-899X/129/1/012017
 A. A. E.-A. Aly, A. F. Hassan and H. M. Abdallah, “Numerical Study of the Semi-Open Centrifugal Pump Impeller Side Clearance,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 47, pp. 247–255, Dec. 2015. https://doi.org/10.1016/j.ast.2015.09.033
 A. J. Stepanoff, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design, and Application, 2nd ed. New York, USA: Jhon Wiley & Sons, Inc., 1948.
 C. Mataix, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, 2nd ed. Madrid, Esp.: Ediciones del Castillo, S. A., 1986.
 C. Wang, W. Shi, X. Wanga, X. Jiang, Y. Yang, W. Li and L. Zhou, “Optimal design of multistage centrifugal pump based on the combined energy loss model and computational fluid dynamics,” Appl. Energy, vol. 187, pp. 10–26, Feb. 2017. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.046
 B. Neumann, The interaction between geometry and performance of a centrifugal pump, London, UK: Mechanical Engineering Publications, 1991.
 S. Li, The un-design condition and optimization of blade-pump, Beijing, CN: China Mach. Press, 2006.
 G. Lu, Z. Zuo, D. Liu and S. Liu, “Energy balance and local unsteady loss analysis of flows in a low specific speed model pump-turbine in the positive slope region on the pump performance curve,” Energies, vol. 12, no. 10, pp. 1–22. May. 2019. https://doi.org/10.3390/en12101829
 D. Deshmukh and A. Samad, “CFD-based analysis for finding critical wall roughness on centrifugal pump at design and off-design conditions,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 41, no. 58, Feb. 2019. https://doi.org/10.1007/s40430-018-1557-y
 W. Shi, L. Zhou, W. Lu, B. Pei and T. Lang, “Numerical prediction and performance experiment in a deep-well centrifugal pump with different impeller outlet width,” in Chinese J. Mech. Eng., vol. 26, no. 1, pp. 46–52, Feb. 2013. https://doi.org/10.3901/CJME.2013.01.046
 X. Cheng, W. Bao, L. Fu and X. Ye, “Sensitivity analysis of nuclear main pump annular casing tongue blend,” Adv. Mech. Eng., vol. 9, no. 7, p. 1–9, Jul. 2017. https://doi.org/10.1177/1687814017706599
 F. Lai, X. Zhu, G. Li, L. Zhu and F. Wang, “Numerical Research on the Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned Diffuser Outlet Diameters,” Energy Procedia, vol. 158, pp. 5523–5528, Feb. 2019. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.592
 E. Meneses, J. Jaramillo-Ibarra y E. Mas, “Análisis numérico del comportamiento térmico y fluidodinámico de los gases de combustión en un horno tradicional para la producción de panela,” INGE CUC, vol. 15, no. 1, pp. 133–141, Jun. 2019. https://doi.org/10.17981/ingecuc.15.1.2019.12
 P. Yan, N. Chu, D. Wu, L. Cao, S. Yang and P. Wu, “Computational Fluid Dynamics-Based Pump Redesign to Improve Efficiency and Decrease Unsteady Radial Forces,” J. Fluids Eng., vol. 139, no. 1, pp. 11101–11111, Oct. 2016. https://doi.org/10.1115/1.4034365
 F. Gao, H. Wang and H. Wang, “Comparison of different turbulence models in simulating unsteady flow,” Procedia Eng., vol. 205, pp. 3970–3977, Oct. 2017. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.856
 F. Mentzoni, I. S. Ertesvåg, K. E. Rian and R. N. Kleiveland, “Numerical modeling of turbulence above offshore helideck – Comparison of different turbulence models,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 141, pp. 49–68, Jun. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2015.02.005
 S. Selim, M. Hosien, S. El-Behery and M. Elsherbiny, “Numerical Analysis of Turbulent Flow In Centrifugal Pump,” in Proceedings of the 17th Int. AMME, vol. 17, Apr. 19-21, 2016. Cairo, Egypt. https://doi.org/10.21608/amme.2016.35279
 O. Babayigit, O. Kocaaslan, M. Aksoy, K. Guleren and M. Ozgoren, “Numerical identification of blade exit angle effect on the performance for a multistage centrifugal pump impeller,” in EFM14, vol. 92, no. 02003, May. 6, 2015. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202003
 A. Škerlavaj, L. Škerget, J. Ravnik and A. Lipej, “Choice of a turbulence model for pump intakes,” Power Energy, vol. 225, no. 6, pp. 764–778, Jul. 2011. https://doi.org/10.1177/0957650911403870
 L. Tian, E. Jin, Z. Li, H. Mei, Y. Wang and Y. Shang, “The fluid control mechanism of bionic structural heterogeneous composite materials and its potential application in enhancing pump efficiency,” Adv. Mech. Eng., vol. 7, no. 11, pp. 1–11, Nov. 2015. https://doi.org/10.1177/1687814015619551
 P. M. Doran, Bioprocess Engineering Principles, San Diego, CA, USA: Academic Press, 1995.
 W. Versteeg and H. K. Malalasekera, An introduction to Computational Fluid Dynamics, New York, USA: Longman Scientific & Technical, 1995.
 P. Muiruri and O. Seraga, “Three Dimensional CFD Simulations of A Wind Turbine Blade Section; Validation,” JESTR, vol. 11, no. 1, pp. 138–145, Feb. 2018. https://doi.org/10.25103/jestr.111.16
 Z. Ali, P. Tucker and S. Shahpar, “Optimal mesh topology generation for CFD,” Comput Method Appl M, vol. 317, pp. 431–457. https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.12.001
 Rotodynamic pumps-Hydraulic perfomance acceptance tests – Grades 1 and 2, ISO 9906:1999, BSI, London, 2002.
 J. Pei, W. Wang, and S. Yuan, “Multi-point optimization on meridional shape of a centrifugal pump impeller for performance improvement,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 30, no. 11, pp. 4949–4960, Nov. 2016. https://doi.org/10.1007/s12206-016-1015-7
 C. W. S. P. Maitelli, F. V. M. Bezerra and W. Mata, “Simulation of flown in a centrifugal pump of ESP systems using computational fluid dynamics,” Brazilian J. Pet. gas, vol. 4, no. 1, pp. 001–009, Jan. 2010. Available from http://www.portalabpg.org.br/bjpg/index.php/bjpg/article/view/107
 O. A. Price, “Vortex Pumps, or, Slip in the Centrifugal Pump,” Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 142, no. 1, pp. 413–458, Jun. 1939. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1939_142_033_02
 B. P. M. van Esch and N. P. Kruyt, “Hydraulic Performance of a Mixed-Flow Pump: Unsteady Inviscid Computations and Loss Models,” J. Fluids Eng., vol. 123, no. 2, pp. 256–264, Jan. 2001. https://doi.org/10.1115/1.1365121
 R. Spence and J. Amaral-Teixeira, “A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump,” Comput. Fluids, vol. 38, no. 6, pp. 1243–1257, Jun. 2009. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2008.11.013
 M. Šavar, H. Kozmar, and I. Sutlović, “Improving centrifugal pump efficiency by impeller trimming,” Desalination, vol. 249, no. 2, pp. 654–659, Dec. 2009. https://doi.org/10.1016/j.desal.2008.11.018
 S. Shiels, “When trimming a centrifugal pump impeller can save energy and increase flow rate,” World Pumps, vol. 1999, no. 398, pp. 37–40, Nov. 1999. https://doi.org/10.1016/S0262-1762(00)87460-X
 L. M. Tsang, “A Theoretical Account of Impeller Trimming of the Centrifugal Pump,” P I Mech Eng C-J. Mec, vol. 206, no. 33, pp. 213–214, May. 1992. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1992_206_117_02
 M.-G. Tan, H. Liu, S. Yuan, Y. Wang and K. Wang, “Effects of Blade Outlet Width on Flow Field and Characteristic of Centrifugal Pumps,” Pro. Paper FEDSM2009-78064, UJS, JS, PRC, Jul. 2009. https://doi.org/10.1115/FEDSM2009-78064
 M. H. Shojaeefard, M. Tahani, M. B. Ehghaghi, M. A. Fallahian and M. Beglari, “Numerical study of the effects of some geometric characteristics of a centrifugal pump impeller that pumps a viscous fluid,” Comput. Fluids, vol. 60, pp. 61–70, May. 2012. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.02.028
 J. Cai, J. Pan and A. Guzzomi, “The flow field in a centrifugal pump with a large tongue gap and back blades,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 28, no. 11, pp. 4455–4464, Jan. 2014. https://doi.org/10.1007/s12206-014-1013-6
 M. Sinha and J. Katz, “Quantitative Visualization of the Flow in a Centrifugal Pump With Diffuser Vanes—I: On Flow Structures and Turbulence,” J. Fluids Eng., vol. 122, no. 1, pp. 97–107, Nov. 1999. https://doi.org/10.1115/1.483231
 X.-Q. Jia, Z.-C. Zhu, X.-L. Yu and Y.-L. Zhang, “Internal unsteady flow characteristics of centrifugal pump based on entropy generation rate and vibration energy,” J. Process Mech. Eng., vol. 233, no. 3, pp. 456–473, Mar. 2018. https://doi.org/10.1177/0954408918765289
 R. Dong, S. Chu and J. Katz, “Quantitative Visualization of the Flow Within the Volute of a Centrifugal Pump. Part B: Results and Analysis,” J. Fluids Eng., vol. 114, no. 3, pp. 396–403, Sep. 1992. https://doi.org/10.1115/1.2910044
 J. Pei, S. Yuan and J. Yuan, “Numerical analysis of periodic flow unsteadiness in a single-blade centrifugal pump,” Sci. China Technol. Sci., vol. 56, no. 1, pp. 212–221, Oct. 2013. https://doi.org/10.1007/s11431-012-5044-x
 H. Ding, Z. Li, X. Gong and M. Li, “The influence of blade outlet angle on the performance of centrifugal pump with high specific speed,” Vacuum, vol. 159, pp. 239–246, Jan. 2019. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.10.049
 W. G. Li and Z. M. Hu, “Time-averaged turbulent flow LDV measurements in a centrifugal pump impeller,” Pump Technol, vol. 4, pp. 18–29, 1996.
 H. Yousefi, Y. Noorollahi, M. Tahani, R. Fahimi and S. Saremian, “Numerical simulation for obtaining optimal impeller’s blade parameters of a centrifugal pump for high-viscosity fluid pumping,” Sustain. Energy Technol. Assessments, vol. 34, pp. 16–26, Aug. 2019. https://doi.org/10.1016/j.seta.2019.04.011
dc.relation.citationendpage.none.fl_str_mv 21
dc.relation.citationstartpage.none.fl_str_mv 1
dc.relation.citationissue.spa.fl_str_mv 1
dc.relation.citationvolume.spa.fl_str_mv 16
dc.relation.bitstream.none.fl_str_mv https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/2565
https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/3495
https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/3507
dc.relation.citationedition.spa.fl_str_mv Núm. 1 , Año 2020 : (Enero-Junio)
dc.rights.spa.fl_str_mv INGE CUC - 2020
dc.rights.uri.spa.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
dc.rights.accessrights.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coar.spa.fl_str_mv http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
rights_invalid_str_mv INGE CUC - 2020
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.mimetype.spa.fl_str_mv application/pdf
text/html
application/xml
dc.publisher.spa.fl_str_mv Universidad de la Costa
dc.source.spa.fl_str_mv https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/view/2635
institution Corporación Universidad de la Costa
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.cuc.edu.co/bitstreams/c8b2e42c-8bde-4290-b540-92458556fc59/download
bitstream.checksum.fl_str_mv d4a04f480fc836efd468aa462a062e0c
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
repository.name.fl_str_mv Repositorio de la Universidad de la Costa CUC
repository.mail.fl_str_mv repdigital@cuc.edu.co
_version_ 1828166880412565504
spelling Fontalvo Conrado, Cesar AndrésPineda Arrieta, RafaelDuarte Forero, Jorge2020-01-27 00:00:002024-04-09T20:17:39Z2020-01-27 00:00:002024-04-09T20:17:39Z2020-01-270122-6517https://hdl.handle.net/11323/12253https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.0110.17981/ingecuc.16.1.2020.012382-4700Introducción− La optimización energética de bombas centrífugas comprende diversas formas de estudio, entre ellas, la aplicación de análisis paramétricos sobre una bomba centrífuga comercial, generando cambios dimensionales que puedan ser estudiados a través de CFD y que permitan obtener una configuración paramétrica con mejores niveles de eficiencia. Adicionalmente, la incorporación de modelos de pérdida de energía sobre los análisis paramétricos, permite comprender de forma más detallada las causas de reducción de eficiencia bajo distintas condiciones de operación. Objetivo− En este estudio se busca optimizar una bomba centrifuga usando análisis paramétrico en CFD y modelos de perdida de energía, con el fin de mejorar la eficiencia energética. Metodología− Se realizó un análisis energético que combina estudios paramétricos y modelos de pérdida de energía, aplicando la dinámica de fluidos computacional (CFD) por medio del software OpenFOAM. Los modelos constaron de 4 configuraciones geométricas: número de álabes, diámetro de salida, ángulo de salida y espesor de salida del impeler. Los modelos energéticos para el estudio de pérdidas de energía se basaron en turbulent kinetic energy (TKE) y el comportamiento de la eficiencia hidráulica. Resultados− Finalmente, se obtuvo que el parámetro que tuvo mayor influencia en la eficiencia y la turbulencia fue el aumento del espesor, disminuyendo las pérdidas de energía más influyentes sobre el desempeño de la bomba, logrando aumentos en la eficiencia de 4.71% y reducción de la TKE en 4.24 m2/s2 respecto a la bomba original. Conclusiones− La interface entre el impulsor y la voluta genera turbulencia por el gradiente de velocidad presente en las partículas, debido a que pasan de altas velocidades a un medio de baja velocidad. Las configuraciones que aumentaban el área de flujo entre los álabes presentaban mayores niveles de eficiencia, al permitir desplazar una mayor cantidad de fluido, permitiendo un comportamiento de las velocidades más adecuado, reduciendo las pérdidas debida a la fricción del fluido con las paredes de la voluta.Introduction− The energy optimization of centrifugal pumps includes several ways of study, among them, the application of parametric analysis on a commercial centrifugal pump, generating dimensional changes that can be studied through CFD and that allow obtaining a geometric configuration with better levels of efficiency. Additionally, the incorporation of energy loss models in the parametric analyses allows a more detailed understanding of the causes of efficiency reduction on different operating conditions. Objective− This study seeks to optimize a centrifugal pump using parametric analysis in CFD and energy loss models, to improve energy efficiency. Methodology− An energy analysis was performed combining parametric studies and energy loss models, applying computational fluid dynamics (CFD) through OpenFOAM software. The models consisted of 4 geometric configurations: number of blades, output diameter, output angle, and impeller output thickness. The energy models for the study of energy losses were based on turbulent kinetic energy (TKE) and the behavior of hydraulic efficiency. Results− Finally, it was obtained that the parameter that had the greatest influence on efficiency and turbulence was the increase on thickness, decreasing the most influential energy losses on pump performance, achieving increases in efficiency of 4.71% and reduction of the TKE by 4.24 m2/s2 concerning the original pump. Conclusions− The interface between the impeller and the volute generates turbulence due to the velocity gradient present in the particles since they go from high velocities to a low-velocity medium. The configurations that increased the flow area between the blades had higher levels of efficiency, allowing to displace a greater amount of fluid, allowing a more adequate velocity behavior, reducing losses due to the friction of the fluid with the walls of the volute.application/pdftext/htmlapplication/xmlspaUniversidad de la CostaINGE CUC - 2020http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0info:eu-repo/semantics/openAccessEsta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.http://purl.org/coar/access_right/c_abf2https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/view/2635parameterizationenergy loss modelsturbulent kinetic energyCFDenergy optimizationparametrizaciónmodelos de pérdida de energíaturbulent kinetic energyCFDoptimización energéticaOptimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energíaEnergy optimization of centrifugal pumps through parametric analysis in CFD and energy loss modelsArtículo de revistahttp://purl.org/coar/resource_type/c_6501http://purl.org/coar/resource_type/c_2df8fbb1Textinfo:eu-repo/semantics/articleJournal articlehttp://purl.org/redcol/resource_type/ARTinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Inge Cuc CETIM, D. Reeves, NESA, TUDa, “Study on improving the energy efficiency of pumps,” EC, Br, Be, Tech. Report AEAT-6559/ v 5.1, Feb. 2001. P. Roudolf and R. Klas, “Numerical simulation of pump-intake vortices,” in EPJ Web Conf., May. 2015, vol. 92, no. 02077, p. 1–6. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202077 P. Olszewski, “Genetic optimization and experimental verification of complex parallel pumping station with centrifugal pumps,” Appl. Energy, vol. 178, no. 7, pp. 527–539, Sep. 2016. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.084 F. Meng, H. Zhang, F. Yang, X. Hou, B. Lei, L. Zhang, Y. Wu, J. Wang and Z. Shi, “Study of efficiency of a multistage centrifugal pump used in engine waste heat recovery application,” Appl. Therm. Eng., vol. 110, no. 1, pp. 779–786, Jan. 2017. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.226 S. R. Shah, S. V. Jain, R. N. Patel and V. J. Lakhera, “CFD for Centrifugal Pumps: A Review of the State-of-the-Art,” Procedia Eng., vol. 51, no. 1, pp. 715–720, Dec. 2013. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.01.102 J. Duarte, W. Guillín y J. Sánchez, “Desarrollo de una metodología para la predicción del volumen real en la cámara de combustión de motores diésel utilizando elementos finitos,” INGE CUC, vol. 14, no. 1, pp. 122–132, Aug. 2018. https://doi.org/10.17981/ingecuc.14.1.2018.11 T. Ouchbel, S. Zouggar, M. L. Elhafyani, M. Seddik, M. Oukili, A. Aziz and F. Z. Kadda, “Power maximization of an asynchronous wind turbine with a variable speed feeding a centrifugal pump,” Energy Convers. Manag., vol. 78, pp. 976–984, Feb. 2014. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.08.063 H. Keck and M. Sick, “Thirty years of numerical flow simulation in hydraulic turbomachines,” Acta Mech., vol. 201, pp. 211–229, Sept. 2008. https://doi.org/10.1007/s00707-008-0060-4 M. Kawaguti, “Numerical Solution of the Navier-Stokes Equations for the Flow around a Circular Cylinder at Reynolds Number 40,” J. Phys. Soc. Japan, vol. 8, no. 6, pp. 747–757, Nov. 1953. https://doi.org/10.1143/JPSJ.8.747 J. C. Páscoa, A. C. Mendes and L. M. C. Gato, “A fast iterative inverse method for turbomachinery blade design,” Mech. Res. Commun., vol. 36, no. 5, pp. 630–637, Jul. 2009. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2009.01.008 R. Barrio, J. Parrondo and E. Blanco, “Numerical analysis of the unsteady flow in the near-tongue region in a volute-type centrifugal pump for different operating points,” Comput. Fluids, vol. 39, no. 5, pp. 859–870, May. 2010. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2010.01.001 J. Pei, S. Yuan, X. Li and J. Yuan, “Numerical prediction of 3-D periodic flow unsteadiness in a centrifugal pump under part-load condition,” J. Hydrodyn. Ser. B, vol. 26, no. 2, pp. 257–263, Apr. 2014. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(14)60029-9 E. Dick, J. Vierendeels, S. Serbruyns and J. Voorde, “Performance Prediction of Centrifugal Pumps with CFD-Tools,” Task Q., vol. 5, no. 4, pp. 579–594, Jan. 2001. Available from https://task.gda.pl/files/quart/TQ2001/04/TQ0405E7.PDF H. Chen, J. He and C. Liu, “Design and experiment of the centrifugal pump impellers with twisted inlet vice blades,” J. Hydrodyn. Ser. B, vol. 29, no. 6, pp. 1085–1088, Dec. 2017. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(16)60822-3 X. Zhu, G. Li, W. Jiang and L. Fu, “Experimental and numerical investigation on application of half vane diffusers for centrifugal pump,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 79, pp. 114–127, Dec. 2016. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.10.015 H. Hou, Y. Zhang, J. Zhang and Z. Li, “Effects of radial diffuser hydraulic design on a double-suction centrifugal pump,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 7th International Conference on Pumps and Fans (ICPF2015), Oct. 18–21, 2015, Hangzhou, China, vol. 129, pp. 1–8. https://doi.org/10.1088/1757-899X/129/1/012017 A. A. E.-A. Aly, A. F. Hassan and H. M. Abdallah, “Numerical Study of the Semi-Open Centrifugal Pump Impeller Side Clearance,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 47, pp. 247–255, Dec. 2015. https://doi.org/10.1016/j.ast.2015.09.033 A. J. Stepanoff, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design, and Application, 2nd ed. New York, USA: Jhon Wiley & Sons, Inc., 1948. C. Mataix, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, 2nd ed. Madrid, Esp.: Ediciones del Castillo, S. A., 1986. C. Wang, W. Shi, X. Wanga, X. Jiang, Y. Yang, W. Li and L. Zhou, “Optimal design of multistage centrifugal pump based on the combined energy loss model and computational fluid dynamics,” Appl. Energy, vol. 187, pp. 10–26, Feb. 2017. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.046 B. Neumann, The interaction between geometry and performance of a centrifugal pump, London, UK: Mechanical Engineering Publications, 1991. S. Li, The un-design condition and optimization of blade-pump, Beijing, CN: China Mach. Press, 2006. G. Lu, Z. Zuo, D. Liu and S. Liu, “Energy balance and local unsteady loss analysis of flows in a low specific speed model pump-turbine in the positive slope region on the pump performance curve,” Energies, vol. 12, no. 10, pp. 1–22. May. 2019. https://doi.org/10.3390/en12101829 D. Deshmukh and A. Samad, “CFD-based analysis for finding critical wall roughness on centrifugal pump at design and off-design conditions,” J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 41, no. 58, Feb. 2019. https://doi.org/10.1007/s40430-018-1557-y W. Shi, L. Zhou, W. Lu, B. Pei and T. Lang, “Numerical prediction and performance experiment in a deep-well centrifugal pump with different impeller outlet width,” in Chinese J. Mech. Eng., vol. 26, no. 1, pp. 46–52, Feb. 2013. https://doi.org/10.3901/CJME.2013.01.046 X. Cheng, W. Bao, L. Fu and X. Ye, “Sensitivity analysis of nuclear main pump annular casing tongue blend,” Adv. Mech. Eng., vol. 9, no. 7, p. 1–9, Jul. 2017. https://doi.org/10.1177/1687814017706599 F. Lai, X. Zhu, G. Li, L. Zhu and F. Wang, “Numerical Research on the Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned Diffuser Outlet Diameters,” Energy Procedia, vol. 158, pp. 5523–5528, Feb. 2019. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.592 E. Meneses, J. Jaramillo-Ibarra y E. Mas, “Análisis numérico del comportamiento térmico y fluidodinámico de los gases de combustión en un horno tradicional para la producción de panela,” INGE CUC, vol. 15, no. 1, pp. 133–141, Jun. 2019. https://doi.org/10.17981/ingecuc.15.1.2019.12 P. Yan, N. Chu, D. Wu, L. Cao, S. Yang and P. Wu, “Computational Fluid Dynamics-Based Pump Redesign to Improve Efficiency and Decrease Unsteady Radial Forces,” J. Fluids Eng., vol. 139, no. 1, pp. 11101–11111, Oct. 2016. https://doi.org/10.1115/1.4034365 F. Gao, H. Wang and H. Wang, “Comparison of different turbulence models in simulating unsteady flow,” Procedia Eng., vol. 205, pp. 3970–3977, Oct. 2017. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.856 F. Mentzoni, I. S. Ertesvåg, K. E. Rian and R. N. Kleiveland, “Numerical modeling of turbulence above offshore helideck – Comparison of different turbulence models,” J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., vol. 141, pp. 49–68, Jun. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2015.02.005 S. Selim, M. Hosien, S. El-Behery and M. Elsherbiny, “Numerical Analysis of Turbulent Flow In Centrifugal Pump,” in Proceedings of the 17th Int. AMME, vol. 17, Apr. 19-21, 2016. Cairo, Egypt. https://doi.org/10.21608/amme.2016.35279 O. Babayigit, O. Kocaaslan, M. Aksoy, K. Guleren and M. Ozgoren, “Numerical identification of blade exit angle effect on the performance for a multistage centrifugal pump impeller,” in EFM14, vol. 92, no. 02003, May. 6, 2015. https://doi.org/10.1051/epjconf/20159202003 A. Škerlavaj, L. Škerget, J. Ravnik and A. Lipej, “Choice of a turbulence model for pump intakes,” Power Energy, vol. 225, no. 6, pp. 764–778, Jul. 2011. https://doi.org/10.1177/0957650911403870 L. Tian, E. Jin, Z. Li, H. Mei, Y. Wang and Y. Shang, “The fluid control mechanism of bionic structural heterogeneous composite materials and its potential application in enhancing pump efficiency,” Adv. Mech. Eng., vol. 7, no. 11, pp. 1–11, Nov. 2015. https://doi.org/10.1177/1687814015619551 P. M. Doran, Bioprocess Engineering Principles, San Diego, CA, USA: Academic Press, 1995. W. Versteeg and H. K. Malalasekera, An introduction to Computational Fluid Dynamics, New York, USA: Longman Scientific & Technical, 1995. P. Muiruri and O. Seraga, “Three Dimensional CFD Simulations of A Wind Turbine Blade Section; Validation,” JESTR, vol. 11, no. 1, pp. 138–145, Feb. 2018. https://doi.org/10.25103/jestr.111.16 Z. Ali, P. Tucker and S. Shahpar, “Optimal mesh topology generation for CFD,” Comput Method Appl M, vol. 317, pp. 431–457. https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.12.001 Rotodynamic pumps-Hydraulic perfomance acceptance tests – Grades 1 and 2, ISO 9906:1999, BSI, London, 2002. J. Pei, W. Wang, and S. Yuan, “Multi-point optimization on meridional shape of a centrifugal pump impeller for performance improvement,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 30, no. 11, pp. 4949–4960, Nov. 2016. https://doi.org/10.1007/s12206-016-1015-7 C. W. S. P. Maitelli, F. V. M. Bezerra and W. Mata, “Simulation of flown in a centrifugal pump of ESP systems using computational fluid dynamics,” Brazilian J. Pet. gas, vol. 4, no. 1, pp. 001–009, Jan. 2010. Available from http://www.portalabpg.org.br/bjpg/index.php/bjpg/article/view/107 O. A. Price, “Vortex Pumps, or, Slip in the Centrifugal Pump,” Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 142, no. 1, pp. 413–458, Jun. 1939. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1939_142_033_02 B. P. M. van Esch and N. P. Kruyt, “Hydraulic Performance of a Mixed-Flow Pump: Unsteady Inviscid Computations and Loss Models,” J. Fluids Eng., vol. 123, no. 2, pp. 256–264, Jan. 2001. https://doi.org/10.1115/1.1365121 R. Spence and J. Amaral-Teixeira, “A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump,” Comput. Fluids, vol. 38, no. 6, pp. 1243–1257, Jun. 2009. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2008.11.013 M. Šavar, H. Kozmar, and I. Sutlović, “Improving centrifugal pump efficiency by impeller trimming,” Desalination, vol. 249, no. 2, pp. 654–659, Dec. 2009. https://doi.org/10.1016/j.desal.2008.11.018 S. Shiels, “When trimming a centrifugal pump impeller can save energy and increase flow rate,” World Pumps, vol. 1999, no. 398, pp. 37–40, Nov. 1999. https://doi.org/10.1016/S0262-1762(00)87460-X L. M. Tsang, “A Theoretical Account of Impeller Trimming of the Centrifugal Pump,” P I Mech Eng C-J. Mec, vol. 206, no. 33, pp. 213–214, May. 1992. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1992_206_117_02 M.-G. Tan, H. Liu, S. Yuan, Y. Wang and K. Wang, “Effects of Blade Outlet Width on Flow Field and Characteristic of Centrifugal Pumps,” Pro. Paper FEDSM2009-78064, UJS, JS, PRC, Jul. 2009. https://doi.org/10.1115/FEDSM2009-78064 M. H. Shojaeefard, M. Tahani, M. B. Ehghaghi, M. A. Fallahian and M. Beglari, “Numerical study of the effects of some geometric characteristics of a centrifugal pump impeller that pumps a viscous fluid,” Comput. Fluids, vol. 60, pp. 61–70, May. 2012. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.02.028 J. Cai, J. Pan and A. Guzzomi, “The flow field in a centrifugal pump with a large tongue gap and back blades,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 28, no. 11, pp. 4455–4464, Jan. 2014. https://doi.org/10.1007/s12206-014-1013-6 M. Sinha and J. Katz, “Quantitative Visualization of the Flow in a Centrifugal Pump With Diffuser Vanes—I: On Flow Structures and Turbulence,” J. Fluids Eng., vol. 122, no. 1, pp. 97–107, Nov. 1999. https://doi.org/10.1115/1.483231 X.-Q. Jia, Z.-C. Zhu, X.-L. Yu and Y.-L. Zhang, “Internal unsteady flow characteristics of centrifugal pump based on entropy generation rate and vibration energy,” J. Process Mech. Eng., vol. 233, no. 3, pp. 456–473, Mar. 2018. https://doi.org/10.1177/0954408918765289 R. Dong, S. Chu and J. Katz, “Quantitative Visualization of the Flow Within the Volute of a Centrifugal Pump. Part B: Results and Analysis,” J. Fluids Eng., vol. 114, no. 3, pp. 396–403, Sep. 1992. https://doi.org/10.1115/1.2910044 J. Pei, S. Yuan and J. Yuan, “Numerical analysis of periodic flow unsteadiness in a single-blade centrifugal pump,” Sci. China Technol. Sci., vol. 56, no. 1, pp. 212–221, Oct. 2013. https://doi.org/10.1007/s11431-012-5044-x H. Ding, Z. Li, X. Gong and M. Li, “The influence of blade outlet angle on the performance of centrifugal pump with high specific speed,” Vacuum, vol. 159, pp. 239–246, Jan. 2019. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.10.049 W. G. Li and Z. M. Hu, “Time-averaged turbulent flow LDV measurements in a centrifugal pump impeller,” Pump Technol, vol. 4, pp. 18–29, 1996. H. Yousefi, Y. Noorollahi, M. Tahani, R. Fahimi and S. Saremian, “Numerical simulation for obtaining optimal impeller’s blade parameters of a centrifugal pump for high-viscosity fluid pumping,” Sustain. Energy Technol. Assessments, vol. 34, pp. 16–26, Aug. 2019. https://doi.org/10.1016/j.seta.2019.04.011211116https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/2565https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/3495https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/download/2635/3507Núm. 1 , Año 2020 : (Enero-Junio)PublicationOREORE.xmltext/xml2742https://repositorio.cuc.edu.co/bitstreams/c8b2e42c-8bde-4290-b540-92458556fc59/downloadd4a04f480fc836efd468aa462a062e0cMD5111323/12253oai:repositorio.cuc.edu.co:11323/122532024-09-17 14:21:21.23http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0INGE CUC - 2020metadata.onlyhttps://repositorio.cuc.edu.coRepositorio de la Universidad de la Costa CUCrepdigital@cuc.edu.co