Simulación numérica de las características de la estela en turbinas hidrocinéticas de eje vertical
El presente trabajo aborda el estudio computacional del comportamiento hidrodinámico de turbinas hidrocinéticas de eje vertical tanto en configuración aislada como en tándem. Además del rendimiento de las turbinas se comparan los resultados numéricos del desarrollo de la estela con los obtenidos exp...
- Autores:
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Viveros Mira, Miguel
- Tipo de recurso:
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad Autónoma de Occidente
- Repositorio:
- RED: Repositorio Educativo Digital UAO
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- Palabra clave:
- Maestría en Sistemas Energéticos
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El presente trabajo aborda el estudio computacional del comportamiento hidrodinámico de turbinas hidrocinéticas de eje vertical tanto en configuración aislada como en tándem. Además del rendimiento de las turbinas se comparan los resultados numéricos del desarrollo de la estela con los obtenidos experimentalmente en el estudio de Müller et al [1] en ambas configuraciones. De acuerdo con las condiciones experimentales se simulan tres distribuciones de las turbinas en un canal de 1.2 metros de ancho por 4.8 metros de largo. Además de la turbina aislada en el centro del canal se evalúan dos configuraciones de turbinas en tándem separadas una distancia de 1.5D y 2D donde D denota el diámetro de la turbina. Las simulaciones tridimensionales transitorias utilizan el método de mallas superpuestas (overset mesh) combinado con una dinámica turbulenta del flujo. Los resultados numéricos del comportamiento de la estela son validados y comparados con datos experimentales, encontrándose que el método overset es capaz de simular el comportamiento real de las estelas con una buena resolución. Adicionalmente, se realiza un estudio de los coeficientes de fricción y de presión en las palas de las turbinas en la configuración de la turbina aislada y las turbinas en tándem a una separación de 2D, encontrando puntos de desprendimiento de la capa limite que pueden afectar el desempeño. Cabe resaltar que en la turbina experimental se usa una TSR igual a 1.9 en la cual la potencia generada es negativa, como se ha demostrado en el presente trabajo; sin embargo, dicha variable no se determinó experimentalmente. Al comparar los datos experimentales con los numéricos se encontró que existen diferencias en los perfiles de velocidad de la estela; sin embargo, la recuperación de la velocidad del flujo se da a la misma distancia aguas debajo de la turbina, tres diámetros (3D) aguas abajo en la turbina aislada y cinco diámetros (5D) en las turbinas en tándem. Además, a diferencia de los datos experimentales, las simulaciones permiten observar la interacción del flujo con el suelo, que se encuentra a tan solo 2 cm de la punta de pala de los alabes de la turbina; en esta zona existe una aceleración y un ascenso vertical del flujo a aproximadamente 2D aguas abajo en el caso de la turbina aislada |
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[1] S. Müller, V. Muhawenimana, C. A. M. E. Wilson, y P. Ouro, “Experimental investigation of the wake characteristics behind twin vertical axis turbines,” Energy Convers Manag, vol. 247, Nov. 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114768. [2] International Energy Agency, “Renewables 2021 - Analysis and forecast to 2026,” 2021. [Online]. Available: www.iea.org/t&c/ [3] S. Laín, L. T. Contreras, y O. López, “A review on computational fluid dynamics modeling and simulation of horizontal axis hydrokinetic turbines,” Sep. 01, 2019, Springer Verlag. doi: 10.1007/s40430-019-1877-6. [4] T. H. Bakken, H. Sundt, A. Ruud, y A. Harby, “Development of small versus large hydropower in Norway comparison of environmental impacts,” in Energy Procedia, Elsevier Ltd, 2012, pp. 185–199. doi: 10.1016/j.egypro.2012.03.019. [5] O. D. Lopez Mejia, J. J. Quiñones, y S. 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De acuerdo con las condiciones experimentales se simulan tres distribuciones de las turbinas en un canal de 1.2 metros de ancho por 4.8 metros de largo. Además de la turbina aislada en el centro del canal se evalúan dos configuraciones de turbinas en tándem separadas una distancia de 1.5D y 2D donde D denota el diámetro de la turbina. Las simulaciones tridimensionales transitorias utilizan el método de mallas superpuestas (overset mesh) combinado con una dinámica turbulenta del flujo. Los resultados numéricos del comportamiento de la estela son validados y comparados con datos experimentales, encontrándose que el método overset es capaz de simular el comportamiento real de las estelas con una buena resolución. Adicionalmente, se realiza un estudio de los coeficientes de fricción y de presión en las palas de las turbinas en la configuración de la turbina aislada y las turbinas en tándem a una separación de 2D, encontrando puntos de desprendimiento de la capa limite que pueden afectar el desempeño. Cabe resaltar que en la turbina experimental se usa una TSR igual a 1.9 en la cual la potencia generada es negativa, como se ha demostrado en el presente trabajo; sin embargo, dicha variable no se determinó experimentalmente. Al comparar los datos experimentales con los numéricos se encontró que existen diferencias en los perfiles de velocidad de la estela; sin embargo, la recuperación de la velocidad del flujo se da a la misma distancia aguas debajo de la turbina, tres diámetros (3D) aguas abajo en la turbina aislada y cinco diámetros (5D) en las turbinas en tándem. Además, a diferencia de los datos experimentales, las simulaciones permiten observar la interacción del flujo con el suelo, que se encuentra a tan solo 2 cm de la punta de pala de los alabes de la turbina; en esta zona existe una aceleración y un ascenso vertical del flujo a aproximadamente 2D aguas abajo en el caso de la turbina aisladaComputational study of the hydrodynamic behavior of vertical axis hydrokinetic turbines in both isolated and tandem configurations is performed in the following work. As well as the performance of the turbines, the numerical results of the wake development are compared with those obtained experimentally in the study of Müller et al [1] in both configurations. According to the experimental conditions, three turbine distributions are simulated in a 1.2 meter wide and 4.8 meter long channel. In addition to the isolated turbine in the center of the channel, two configurations of tandem turbines separated by 1.5D and 2D where D denotes the turbine diameter are evaluated. The three-dimensional transient simulations use the overset mesh method combined with turbulent flow dynamics. Numerical results of the wake behavior are validated and compared with experimental data, finding that the overset method can simulate the real behavior of the wakes with a good resolution. Additionally, a study of the friction and pressure coefficients in the turbine blades in the isolated turbine configuration and the tandem turbines at 2D separation is performed, finding points of detachment of the boundary layer that can affect the performance. It should be noted that the experimental turbine uses a TSR equal to 1.9 in which the generated power is negative, as demonstrated in the present work; however, this variable was not determined experimentally. When comparing the experimental data with the numerical data, it was found that there are differences in the wake velocity profiles; however, the flow velocity recovery occurs at the same distance downstream of the turbine, 3D downstream in the isolated turbine and 5D in the tandem turbines. Furthermore, in contrast to the experimental data, the simulations allow observing the interaction of the flow with the ground, which is only 2 cm below the blade tip of the turbine blades; in this zone there is an acceleration and a vertical lift of the flow at approximately 2D downstream in the case of the isolated turbineTesis (Magister en Sistemas Energéticos)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2024MaestríaMagíster en Sistemas Energéticos78 páginasapplication/pdfspaUniversidad Autónoma de OccidenteMaestría en Sistemas EnergéticosFacultad de IngenieríaCaliDerechos reservados - Universidad Autónoma de Occidente, 2024https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Simulación numérica de las características de la estela en turbinas hidrocinéticas de eje verticalTrabajo de grado - MaestríaTextinfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://purl.org/redcol/resource_type/TMinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85[1] S. 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