Diseño analítico y simulación numérica de turbinas térmicas axiales mediante fluidodinámica computacional

Resumen

Este Trabajo de Fin de Grado se basa en el diseño analítico y simulación numérica de turbinas axiales mediante la utilización de fluidinámica computacional.

El estudio se centra en un doble diseño, analítico y numérico de cualquier turbina empleando métodos numéricos a través de ecuaciones fluido dinámicas y correlaciones para la obtención de un prediseño con el que posteriormente se compara con el diseño obtenido a través de simulación numérica que emplea ecuaciones más complejas alcanzando niveles de precisión mayores.

El trabajo parte de unas variables iniciales que definen los objetivos del diseñador, rendimiento, trabajo, grado de reacción, etc.

Estas variables definirán toda la geometría, que junto a unas consideraciones indispensables a la hora de realizar estos diseños configuran una primera geometría a través de un código en MATLAB basada en el método analítico de línea media.

Posteriormente, algunos de los datos termodinámicos y geométricos obtenidos, se introducen en ANSYS CFX, un software que se encarga de llevar a cabo la simulación numérica de la turbina.

En este paso, se crea un diseño tridimensional mucho más complejo y a través de las ecuaciones de Navier-Stokes se resuelve la simulación, obteniendo resultados muy interesantes.

Se llevan a cabo dos diseños distintos siguiendo esta metodología. Estos dos diseños de turbina axial parten de un grado de reacción deseado, y se configuran los demás parámetros para obtener al mayor rendimiento. Los grados de reacción estudiados son 0 y 0.5.

Seguidamente, se comentan los resultados obtenidos de ambos diseños tanto para el método analítico como para la simulación numérica.

Además, se realiza una validación del diseño comparando ambas geometrías, lo que permite perfilar el diseño en caso de buscar mayor relación entre ambas geometrías.

Al tener distintos diseños, se verifica la polivalencia delos métodos empleados y posible extrapolación a cualquier diseño.

Para finalizar el proyecto, se realiza una conclusión a cerca del desarrollo del proyecto y resultados y se presentan algunas propuestas para líneas futuras.

ABSTRACT

This undergraduate thesis focuses on the analytical design and numerical simulation of axial turbines using computational fluid dynamics (CFD).

The study involves a dual approach, both analytical and numerical, for designing any turbine by employing numerical
methods through fluid dynamic equations and correlations to obtain a preliminary design.

This preliminary design is then compared with the design obtained through numerical simulation, which uses more complex equations to achieve higher levels of precision.

The work starts with initial variables that define the designer’s objectives, such as performance,
work, degree of reaction, etc.

These variables will define the entire geometry,
which, along with essential considerations for these designs, configure an initial geometry through a MATLAB code based on the analythical mean line method.

Subsequently, some of the thermodynamic and geometric data obtained are entered into ANSYS, a software
responsible for carrying out the numerical simulation of the turbine.

In this step, a much more complex three-dimensional design is created, and the simulation is solved using the
Navier-Stokes equations, yielding very interesting results.

Two distinct designs are carried out following this methodology.

These two axial turbine designs start with a desired degree of reaction, and the other parameters are configured
to achieve the highest efficiency.

The degrees of reaction studied are 0 and 0.5.

Next, the results obtained from both designs are discussed for both the analytical method and the numerical simulation.

Additionally, a validation of the design is performed by comparing both geometries, which allows for refining the design if a closer relationship between the two geometries is desired.

By having different designs, the versatility of the methods used is verified.

To conclude the project, a summary of the development and results is provided, along with some proposals for future work.