Evaluación de la eficiencia de las bombas con modelos de flujo 1D

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Aprovechamiento de los resultados del caudal de paso para comprender el comportamiento hidráulico con caudales variables

Retos

El diseño de turbomáquinas hidráulicas, como bombas centrífugas, ventiladores o turbinas hidráulicas, implica equilibrar una amplia gama de variables de entrada. Los diseñadores deben definir las condiciones de funcionamiento, como el caudal, la velocidad de rotación, la geometría del impulsor, el número de álabes y la energía específica (o altura), todas ellas interconectadas y que afectan significativamente al rendimiento. Este complejo espacio de diseño puede resultar abrumador, sobre todo cuando se trata de optimizar el rendimiento hidráulico, el consumo de potencia o el par, evitando al mismo tiempo la cavitación o las caídas de rendimiento en condiciones fuera de diseño.

Incluso con un objetivo bien establecido, como alcanzar una determinada altura de elevación o potencia, determinar si la combinación seleccionada de parámetros de diseño es óptima no siempre es sencillo. Los diseñadores se basan a menudo en la experiencia o en fórmulas empíricas que, aunque útiles, pueden no reflejar toda la situación, sobre todo en aplicaciones nuevas o con limitaciones. Esta incertidumbre puede dar lugar a configuraciones subóptimas que rindan menos de lo esperado o requieran un rediseño exhaustivo.

Soluciones de ingeniería

El diseño de turbomaquinaria eficiente requiere herramientas rápidas y fiables, especialmente en las primeras fases de desarrollo. Vista TF (Throughflow), que forma parte de la suite ANSYS Workbench, es un solucionador de curvatura de líneas de flujo diseñado para evaluar filas de álabes radiales -como las que se encuentran en bombas centrífugas, compresores radiales y turbinas- utilizando un enfoque cuasi-1D.

Aunque no ofrece todos los detalles del CFD en 3D, Throughflow permite realizar estudios paramétricos rápidos de las geometrías de los impulsores y los puntos de funcionamiento. Su modelado simplificado, pero con información física, permite a los ingenieros evaluar rápidamente una amplia gama de configuraciones, proporcionando información inmediata sobre indicadores críticos de rendimiento como la altura, el par y la eficiencia (tanto por etapas como isentrópica).

Para hacer frente a los retos de navegar por espacios de diseño complejos, Throughflow ofrece una forma eficaz de evaluar las tendencias de rendimiento basándose en cálculos de flujo 1D. Variando parámetros como el caudal másico o la geometría de los álabes, los diseñadores pueden hacerse una idea de cómo afectan estas variables al comportamiento hidráulico. Esto convierte a Throughflow en una herramienta excelente para la selección en fases tempranas y el perfeccionamiento iterativo, ayudando a los ingenieros a centrar los costosos esfuerzos de CFD 3D sólo en los candidatos más prometedores.

Métodos

El proceso de configuración comienza en el entorno de ANSYS Workbench arrastrando y soltando el módulo Vista CPD, que se utiliza para el dimensionamiento básico de bombas centrífugas. En el primer paso, el usuario proporciona el punto de diseño requerido, incluyendo entradas como el caudal, la altura, la velocidad de rotación y las propiedades del fluido. Basándose en estas condiciones, Vista CPD genera una geometría preliminar del impulsor y estima los parámetros clave de rendimiento.

Una característica única de Vista CPD es que produce curvas de eficiencia en función de la velocidad específica (Ωs) y la relación de diámetro específico (Q/N). Estos parámetros adimensionales generalizan las características de rendimiento del impulsor:

• Ωs (Velocidad específica): Se trata de un parámetro adimensional relacionado con el caudal (Q), la velocidad de rotación (w), y cabeza (H). Se utiliza habitualmente en el diseño de bombas para clasificar el tipo de impulsor y predecir la forma y el rendimiento de los pasos de caudal. En la ecuación, g es la aceleración de la gravedad.
  
• Q/N (Coeficiente de caudal): Representa la relación entre el caudal y la velocidad de rotación y, en este contexto, se utiliza para construir familias de curvas de rendimiento para diferentes regímenes de caudal. N es la velocidad de rotación en rev/s y D es el diámetro del impulsor. En Vista CPD se muestra como Q/N.
  

Por lo tanto, Vista CPD ofrece mapas teóricos de eficiencia basados en coeficientes adimensionales como el coeficiente de flujo y la velocidad específica. Aunque son útiles como orientación general, estos mapas se basan en tendencias empíricas y no están vinculados a una geometría específica. Para evaluar un diseño de impulsor real con mayor precisión, Throughflow proporciona un análisis cuasi-1D basado en la geometría real del álabe y las condiciones de entrada. Esto permite una evaluación más fiable de las métricas de rendimiento -como la altura y la eficiencia- en toda una gama de caudales.

Resultados

En el primer paso del proceso, las entradas de diseño iniciales se definen dentro de Vista CPD, como se muestra en la siguiente figura. Estos datos incluyen las condiciones de funcionamiento, especialmente el caudal másico, así como las principales características geométricas del impulsor. Los parámetros clave son los contornos del cubo y la cubierta, la forma y la posición de los bordes de ataque y de salida, el número de álabes y otras dimensiones críticas para el diseño básico del impulsor. Esta configuración define un único punto de diseño, que se utiliza como geometría de partida para la posterior evaluación del rendimiento.

A continuación, el diseño se transfiere a un nuevo módulo Throughflow, donde el solucionador se ejecuta automáticamente y se completa en pocos minutos. Una vez finalizado el cálculo, el usuario puede acceder a la celda de resultados para visualizar los resultados clave del rendimiento. En esta fase, los gráficos de contorno proporcionan información sobre el comportamiento del flujo a través de los canales del impulsor, así como variables como la velocidad, la presión y la carga de los álabes.

Nótese que el contorno de la presión sugiere una distribución gradual excepto en la región resaltada. Además, la velocidad meridional (Cm) muestra un aumento significativo cerca del borde de ataque, particularmente cerca del cubo. Esto sugiere que la geometría de entrada o la velocidad de rotación pueden estar provocando que el flujo se contraiga y acelere prematuramente. Este patrón indica una distribución no uniforme del flujo entrante.

Aunque este comportamiento no es necesariamente problemático, destaca una región crítica del impulsor donde el desequilibrio del flujo podría eventualmente conducir a ineficiencias o separación del flujo en una simulación 3D completa. La identificación temprana de este problema mediante Throughflow proporciona información valiosa para refinar la geometría de entrada y guiar el análisis paramétrico posterior. Por lo tanto, también podemos realizar un análisis paramétrico utilizando el caudal másico como parámetro de entrada y diferentes eficiencias como parámetros de salida.

• etap ss. Eficiencia politrópica de la etapa (estática-estática). Utiliza presiones estáticas y entalpías a la entrada y a la salida para evaluar la eficiencia termodinámica de la etapa.
• etap ts. Eficiencia politrópica por etapas (total-estática). Considera la presión total en la entrada y la presión estática en la salida; útil cuando la energía cinética de entrada es significativa.
• etap tt. Eficiencia politrópica por etapas (total-total). Evalúa la eficiencia utilizando las presiones totales tanto a la entrada como a la salida, capturando los efectos de la energía cinética y potencial.
• etas ss. Eficiencia isentrópica escénica (estática-estática). Compara el cambio de entalpía real con el cambio isentrópico ideal utilizando condiciones estáticas.
• etas ts. Eficiencia isentrópica por etapas (total-estática). Utiliza las condiciones totales en la entrada y estáticas en la salida; adecuado para estimar las pérdidas reales en sistemas prácticos.
• etas tt. Eficiencia isentrópica de etapa (total-total). Mide el rendimiento global suponiendo un proceso isentrópico ideal entre los estados totales de entrada y salida.

Vea el vídeo explicativo completo para ver cómo configurar el modelo y comprobar los resultados para acelerar el diseño de la bomba en las primeras etapas y revelar tendencias clave de rendimiento.

Ventajas de la solución Ansys

El modelado CFD demuestra su potencial para optimizar y evaluar estructuras hidráulicas a través de las soluciones avanzadas de Ansys. Para el preprocesamiento, Ansys SpaceClaim y Discovery Modeling facilitan la creación y preparación CAD, mientras que Ansys Fluent y CFX abordan diversos retos de simulación. Las herramientas de postprocesado de alta fidelidad, como Ansys Ensight, analizan y visualizan eficazmente grandes conjuntos de datos.

Además, los resultados CFD pueden integrarse con análisis estructurales en escenarios de interacción fluido-estructura (FSI), con el apoyo de Ansys Mechanical y LS-Dyna. Técnicas como el diseño de experimentos (DOE) y la optimización avanzada se ven facilitadas por DesignXplorer y Ansys OptiSlang dentro de la plataforma Workbench. Ansys también proporciona licencias HPC y capacidades GPU para el procesamiento paralelo de modelos complejos, garantizando evaluaciones exhaustivas.

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