Estudio numérico y experimental de fenómenos hidrodinámicos que ocurren en bombas centrífugas como turbinas

La tendencia mundial de administrar y operar a distancia las centrales hidroeléctricas está obligando a los expertos a replantear los estrategias de monitoreo y diagnóstico de sus máquinas -- Esto ha conducido también, a reducir el personal experto que reside in-situ y que se encarga de operar y mantener los sistemas técnicos, y además de atender cualquier eventualidad que pueda ocurrir -- Por eso, desde hace ya varios años se han venido desarrollando sistemas expertos que puedan suplir las deficiencias del recurso humano -- Pero aunque tales sistemas han alcanzado niveles interesantes de independencia, aún requieren del acompañamiento de un experto que pueda interpretar las evidencias, emitir un diagnóstico y tomar una decisión -- Un ejemplo de los aspectos que aún se deben perfeccionar, es el se las falsas alarmas que llegan a producir el efecto “cry wolf” y que terminan por inactivar el sistema -- Otra forma de enfrentar esta nueva dinámica de operación es la de subcontratar el servicio de diagnóstico técnico, que puede dar resultados aceptables, pero no siempre en el caso de centrales hidroeléctricas -- Las centrales por lo general se encuentran en sitios remotos y en ocasiones blindadas por condiciones geográficas y climatológicas por lo que no es posible reaccionar rápidamente para atender una eventualidad cuando el experto y sus instrumentos no están cerca -- Una solución que resulta conveniente es de hecho, la centralización de la experticia para los servicios de monitoreo y diagnóstico técnico, soportados por una plataforma portátil e idealmente no-invasiva, que permanezca siempre junto a las máquinas y que pueda ser consultada on-line -- De este modo una cantidad reducida de expertos tendrán acceso permanente a las variables o síntomas que definen el estado técnico de la maquinaria; ellos se encargarán de analizar las señales sintomáticas, evaluar los resultados, emitir juicios y elaborar reportes ejecutivos que finalmente llegarán a manos del administrador o persona encargada de la operación -- Esta alternativa aliviará molestias relacionadas con los procesos de monitoreo y diagnóstico: instrumentación/sensórica, cableado, acondicionamiento de señales, adquisición digital de datos, procesamiento de señales, administración y gestión de equipos, reporte de resultados, recomendaciones, etc. -- Este proyecto propone en dos etapas, el diseño de una plataforma tecnológica que pueda soportar la alternativa mencionada -- En detalle, el diseño de un sistema integrado de adquisición de datos que además de ser portátil, modular y escalable, adecuado para monitoreo de las principales variables de diagnóstico de una central hidroeléctrica; que aunque no incorpore un sistema experto, si ofrece las herramientas de análisis, diagnóstico y toma de decisiones del estado del arte

Física I : mecánica y fluídos.

Este manual está dividido en 13 temas: 1.La magnitud física y su medida, 2.Cálculo vectorial, 3.Cinemática del punto, 4.Cinemática del sólido rígido y del movimiento relativo, 5.Estática: fuerzas y equilibrios, 6.Dinámica del punto y de los sistemas de puntos, 7.Trabajo y energía, 8.Dinámica de rotación del sólido rígido, 9.Gravitación, 10.El estado sólido y la elasticidad, 11.Estática de fluídos, 12.Fenómenos capilares en los líquidos y 13.Dinámica de fluídos.

Análisis termodinámico del álabe

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Térmica-Fluidos) UANL

Metodologia de discretização espacial para o método radial de interpolação por pontos (RPIM) aplicada para solução numérica das equações de Maxwell

Neste trabalho, foi desenvolvido e implementado um método de discretização espacial baseado na lei de Coulomb para geração de pontos que possam ser usados em métodos meshless para solução das equações de Maxwell. Tal método aplica a lei de Coulomb para gerar o equilíbrio espacial necessário para gerar alta qualidade de discretização espacial para um domínio de análise. Este método é denominado aqui de CLDM (Coulomb Law Discretization Method ) e é aplicado a problemas bidimensionais. Utiliza-se o método RPIM (Radial Point Interpolation Method) com truncagem por UPML (Uniaxial Perfectlly Matched Layers) para solução das equações de Maxwell no domínio do tempo (modo TMz).

Análise computacional dos campos de velocidade e temperatura do ambiente interno da usina termelétrica Santana - Amapá

A simulação numérica do escoamento de ar em ambientes internos é na atualidade o método mais apropriado para análise de conforto térmico em ambientes internos. O escoamento de ar nesses ambientes configura-se como um escoamento complexo, pois, em regra geral, é uma combinação de escoamentos cisalhantes livres (jatos) e cisalhantes de parede, além disso, esses escoamentos são governados por forças de inércia e forças de empuxo, caracterizando-o como de convecção mista. A combinação desses mecanismos cria um escoamento com características complexas, como zonas de recirculação, vórtices, descolamento e recolamento de camada-limite dentre outras. Portanto, a precisão da solução estará diretamente ligada, principalmente, na habilidade do modelo de turbulência adotado de reproduzir as características turbulentas do escoamento de ar e da transferência térmica. O objetivo principal do presente trabalho foi a simulação computacional do ambiente térmico interno do galpão que abriga os geradores e motores Wärtzilä da Usina Termelétrica Santana no estado do Amapá. A formulação matemática baseada na solução das equações gerais de conservação inclui uma análise dos principais modelos de turbulência aplicados ao escoamento de ar em ambientes internos, assim como os processos de transferência de calor associados. Na modelagem numérica o método de volumes finitos é usado na discretização das equações de conservação, através do código comercial Fluent-Airpak, que foi usado nas simulações computacionais para a análise dos campos de velocidade e temperatura do ar. A utilização correta do programa computacional foi testada e validada para o problema através da simulação precisa de casos retirados da literatura. Os resultados numéricos foram comparados a dados obtidos de medições experimentais realizados no galpão e apresentou boa concordância, considerando a complexidade do problema simulado, o objetivo da simulação em face da diminuição da temperatura no interior do galpão e, também, em função das limitações encontradas quando da tomada das medições experimentais. Além disso, foram feitas simulações de estratégias de melhoria do ambiente térmico da Usina, baseadas na realidade levantada e nos resultados da simulação numérica. Finalmente, foram realizadas simulações do protótipo de solução proposto para a diminuição da temperatura interna do galpão o que possibilitará um aumento, na faixa de 20 a 30%, do tempo de permanência no interior do galpão.

One and two degrees-of-freedom Vortex-Induced Vibration experiments with yawed cylinders

Vortex-Induced Vibration (VIV) experiments were carried out with yawed cylinders. The purpose was to investigate the validity of the Independence Principle (IP) for properly describing the flow characteristics and the dynamics of structures subjected to oblique flow. Five yaw angles in relation to the direction perpendicular to the free stream velocity were tested, namely View the MathML sourceθ=0°,10°,20°,30° and 45°. Both the upstream and downstream orientations were tested. The models were mounted on a leaf spring apparatus that allows experiments with one or two degrees of freedom. The Reynolds numbers based on the component normal to the cylinder axis fell in the interval 3×103der aspect ratio was L/D≈13L/D≈13 for all the experiments. Time histories of displacement and hydrodynamic forces were acquired. Considering only the component of the free stream which is normal to the cylinder axis, the results of amplitude and force coefficients agreed reasonably well with the non-yawed ones for yaw angles up to 20° for both one and two degrees-of-freedom experiments. This indicates the validity of the IP for this yaw angle range. For yaw angles larger than 20°, a decrease in the maximum amplitude was observed. The decrease in the oscillation amplitudes was related to a larger modulation in the phase shift between force and displacement. Differences in the results for upstream and downstream were observed and were more evident for the larger yaw angle. These differences can be associated to the asymmetric cylinder end conditions.

Computational simulation of the flow-induced vibration of a circular cylinder subjected to wake interference

In this work, we considered the flow around two circular cylinders of equal diameter placed in tandem with respect to the incident uniform flow. The upstream cylinder was fixed and the downstream cylinder was completely free to move in the cross-stream direction, with no spring or damper attached to it. The centre-to-centre distance between the cylinders was four diameters, and the Reynolds number was varied from 100 to 645. We performed two- and three-dimensional simulations of this flow using a Spectral/hp element method to discretise the flow equations, coupled to a simple Newmark integration routine that solves the equation of the dynamics of the cylinder. The differences of the behaviours observed in the two- and three-dimensional simulations are highlighted and the data is analysed under the light of previously published experimental results obtained for higher Reynolds numbers.

The role of wake stiffness on the wake-induced vibration of the downstream cylinder of a tandem pair

When a pair of tandem cylinders is immersed in a flow the downstream cylinder can be excited into wake-induced vibrations (WIV) due to the interaction with vortices coming from the upstream cylinder. Assi, Bearman & Meneghini ( J. Fluid Mech. , vol. 661, 2010, pp. 365–401) concluded that the WIV excitation mechanism has its origin in the unsteady vortex–structure interaction encountered by the cylinder as it oscillates across the wake. In the present paper we investigate how the cylinder responds to that excitation, characterising the amplitude and frequency of response and its dependency on other parameters of the system. We introduce the concept of wake stiffness , a fluid dynamic effect that can be associated, to a first approximation, with a linear spring with stiffness proportional to Re and to the steady lift force occurring for staggered cylinders. By a series of experiments with a cylinder mounted on a base without springs we verify that such wake stiffness is not only strong enough to sustain oscillatory motion, but can also dominate over the structural stiffness of the system. We conclude that while unsteady vortex–structure interactions provide the energy input to sustain the vibrations, it is the wake stiffness phenomenon that defines the character of the WIV response

Two-degree-of-freedom vortex-induced vibration of circular cylinders with very low aspect ratio and small mass ratio

The investigation of vortex-induced vibration on very short cylinders with two degrees of freedom has drawn the attention of a large number of researchers. Some investigations on such a problem are carried out in order to have a better understanding of the physics involved in vortex-induced motions of floating bodies such as offshore platforms. In this paper, experiments were carried out in a recirculating water channel over the range of Reynolds number 6000des and frequencies of cylinders with two degrees of freedom, three different small mass ratios (m⁎=1.00; 2.62 and 4.36) and very low aspect ratios (0.3≤L/D≤2.0) were shown and the results were discussed in depth. Conversely to what would be expected for cylinders with very low aspect ratio, the results showed large motions in the transverse direction with maximum amplitudes around 1.5 diameters for cylinders with L/D=2.0, despite being smaller when the aspect ratio is reduced. Moreover, the response amplitudes presented high values around 0.4 diameters in the in-line direction. In fact, the large transverse motions were related to a strong coupling with the in-line responses, visibly identified in the plots of nondimensional frequency, as well as by the trajectories in the XY-plane, Lissajous figures, particularly in the case of m⁎=1.00 and L/D=2.0, when 8-shape trajectories were clearly observed. The case of m⁎=1.00 deserves more attention because of its smaller amplitude compared to the cases with the same aspect ratio and a larger mass ratio. This counter-intuitive behavior seems to be related to the energy transferring process from the steady stream to the oscillatory hydroelastic system. Finally, it is noteworthy that the characteristic of the “Strouhal-like” number decreases when the aspect ratio decreases, as also observed in previous works available in the literature, most of them for stationary cylinders.

Numerical analysis of control surface effects on AUV

Computational fluid dynamics, CFD, is becoming an essential tool in the prediction of the hydrodynamic efforts and flow characteristics of underwater vehicles for manoeuvring studies. However, when applied to the manoeuvrability of autonomous underwater vehicles, AUVs, most studies have focused on the de- termination of static coefficients without considering the effects of the vehicle control surface deflection. This paper analyses the hydrodynamic efforts generated on an AUV considering the combined effects of the control surface deflection and the angle of attack using CFD software based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes formulations. The CFD simulations are also independently conducted for the AUV bare hull and control surface to better identify their individual and interference efforts and to validate the simulations by comparing the experimental results obtained in a towing tank. Several simulations of the bare hull case were conducted to select the k –ω SST turbulent model with the viscosity approach that best predicts its hydrodynamic efforts. Mesh sensitivity analyses were conducted for all simulations. For the flow around the control surfaces, the CFD results were analysed according to two different methodologies, standard and nonlinear. The nonlinear regression methodology provides better results than the standard methodology does for predicting the stall at the control surface. The flow simulations have shown that the occurrence of the control surface stall depends on a linear relationship between the angle of attack and the control surface deflection. This type of information can be used in designing the vehicle’s autopilot system.

Estudo experimental do fenômeno de vibração induzida por vórtices em cilindro rígido livre para oscilar com dois graus de liberdade.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices.

Homogenization of elliptic problems in thin domains with oscillatory boundaries

Los dominios finos, es decir, dominios sustancialmente más pequeños en alguna o varias de sus direcciones que en el resto, aparecen en muchos campos de la ciencia. Por ejemplo, dinámica de fluídos (lubricación, conducción de fluídos en tubos delgados, dinámica de oceanos...), mecánica de sólidos (barras delgadas, placas o cáscaras) o incluso en fisiología (circulación de la sangre). Así, el amplio número de posibles aplicaciones a situaciones reales ha hecho que la investigación de modelos de ecuaciones en derivadas parciales en dominios finos se convierta en un tema muy estudiado en los últimos años. Desde un punto de vista matemático, el estudio de las soluciones de una EDP en un dominio fino es un caso particular de la cuestión general relativa a cómo la variación de los dominios afecta al comportamiento de las soluciones de la EDP. En este marco, obtener la ecuación límite del modelo considerado, comparar la solución de la ecuación límite y las soluciones del problema en el dominio fino, analizar los coeficientes de la ecuación límite y comprender cómo la geometría del dominio afecta a la ecuación límite son algunos de los objetivos que deberían ser alcanzados. De hecho, es importante señalar que este tipo de cuestiones no sólo proporcionan importantes resultados teóricos sino que son muy relevantes desde el punto de vista de las aplicaciones. Por ejemplo, ser capaz de reducir el problema original a un problema mucho más sencillo, problema límite, que refleje las principales características del problema de partida puede ser muy útil para ingenieros y físicos...

Coupled CFD Shape Optimization for aerodynamic profiles

The present document deals with the optimization of shape of aerodynamic profiles -- The objective is to reduce the drag coefficient on a given profile without penalising the lift coefficient -- A set of control points defining the geometry are passed and parameterized as a B-Spline curve -- These points are modified automatically by means of CFD analysis -- A given shape is defined by an user and a valid volumetric CFD domain is constructed from this planar data and a set of user-defined parameters -- The construction process involves the usage of 2D and 3D meshing algorithms that were coupled into own- code -- The volume of air surrounding the airfoil and mesh quality are also parametrically defined -- Some standard NACA profiles were used by obtaining first its control points in order to test the algorithm -- Navier-Stokes equations were solved for turbulent, steady-state ow of compressible uids using the k-epsilon model and SIMPLE algorithm -- In order to obtain data for the optimization process an utility to extract drag and lift data from the CFD simulation was added -- After a simulation is run drag and lift data are passed to the optimization process -- A gradient-based method using the steepest descent was implemented in order to define the magnitude and direction of the displacement of each control point -- The control points and other parameters defined as the design variables are iteratively modified in order to achieve an optimum -- Preliminary results on conceptual examples show a decrease in drag and a change in geometry that obeys to aerodynamic behavior principles

Simulação numérica da cavitação em turbomáquinas usando uma formulação Euler-Lagrange.

Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas.

Mecánica de sólidos y de fluídos. Física I.

El libro está dividido en ocho unidades didácticas, en las cuales se aborda el estudio de los siguientes temas: 1. Conceptos fundamentales, cálculo vectorial y teoría de campos, 2. Cinemática, 3. Dinámica del punto material, 4. Geometría de masas, 5. Estática, 6. Dinámica del sólido rígido, 7. Mecánica del sólido reformable y 8. Mecánica de fluídos.