INSTITUTO TECNOLOGICO DE MORELIA

Departamento de Ingeniería Mecánica

Informe parcial de avances

Diseño y modelación computacional de un aerogenerador de eje horizontal

Nicolás David Herrera Sandoval

Asesor:Dr. Juan Cristóbal Camacho Arriaga

Contenido

Introducción.Perfil aerodinámico.Alabe.Preparación del análisis.Análisis.Resultados.Rotor.Conclusiones.Referencias.

Introducción

El presente reporte tiene como finalidad dar a conocer las actividades realizadas en el proyecto, y explicar brevemente la metodología utilizada hasta el momento.

A su vez, informar de las actividades pendientes y el tiempo esperado de terminación.

1.- Perfil aerodinámico.

La primera etapa, consta en elegir un perfil aerodinámico adecuado. Para esto hay que conocer cómo funciona un perfil.

Fig. 1.1 Esquema de las líneas de flujo a través de un perfil aerodinámico. [1]

En la fig. 1.1 Se muestra un flujo a través de un perfil aerodinámico, el cual genera fuerzas sobre el cuerpo.

Fig. 1.2 Esquema de las fuerzas que actúan en un perfil aerodinámico. [1]

En la fig. 1.2 podemos observar las fuerzas que se generan cuando un flujo pasa a través de un perfil, donde:

V∞ = Velocidad del flujoL = Fuerza de sustentación.D = Fuerza de arrastreF = Resultante de la suma de F y Dc = Cuerda del perfil (Longitud).M = Momento sobre el perfil.α = Angulo de ataque.

En nuestro caso podemos observar de la fig. 1.2, que la fuerza que nos interesa más que las demás es la fuerza de sustentación L, debido a que es la que contrarresta la fuerza de gravedad. Esta fuerza es la que se tomó en cuenta al momento de elegir el perfil a utilizar.

La fuerza de sustentación depende, en gran medida, del coeficiente de sustentación C l, una característica con la que cuentan los perfiles aerodinámicos.

El software el cual usamos para crear el perfil se llama DesignFOIL, este software nos permite crear un perfil nuevo, mediante una herramienta grafica, la cual consiste en ir modificando un perfil estándar, hasta obtener uno con las características deseadas.

Este software nos permite hacer un análisis para determinar las propiedades del perfil.

Fig. 1.3 Propiedades del perfil seleccionado determinadas por el software DesignFOIL

Se puede observar en la figura 1.3, en el recuadro de la parte superior derecha, que nos arroja datos de Cl = 1.6 a un Angulo de ataque de 16°. Por lo cual lo consideramos aceptable para nuestro propósito.

2.- Alabe

Tomando en cuenta el perfil seleccionado, se realiza una forma básica de un alabe en un software de modelado 3D, tomando en cuenta el diámetro del rotor deseado, que en este caso es de 2m, y el ángulo de ataque que es de 16° (el ángulo de ataque permanecerá constante en todo el alabe).

El software utilizado se llama Catia V5.

Fig. 2.1 Vistas del alabe.

En las siguientes figuras se muestran las dimensiones más importantes del alabe.

Fig. 2.2 Cuerda.

Fig. 2.3 Longitud que mantiene el perfil aerodinámico.

Fig. 2.3 Longitud total del alabe.

3.- Preparación para el análisis.

Se realizaron modelaciones CFD (Computational Fluid Dynamics).

CFD, es el análisis de sistemas que involucran flujo de fluidos, transferencia de calor y fenómenos asociados, tales como reacciones químicas por medio de simulación basada en computadora [2].

Este método, nos permite predecir el comportamiento del flujo a través del perfil aerodinámico, mediante un análisis computacional. Evitándonos la necesidad de un túnel de viento, u otros estudios de mayor costo.

Las actividades a realizar en la etapa de pre-procesamiento son:

Definición de la geometría de la región de interés: Dominio computacional. Generación de una malla, que es, la subdivisión del dominio computacional en

elementos más pequeños. Selección de los fenómenos físicos y químicos que serán analizados. Definición de las propiedades del fluido. Especificación de las condiciones de frontera adecuadas en cada parte del dominio

[2].

En nuestro caso, el dominio computacional es el modelo del alabe en 3D, el cual se realizo anterior mente y un espacio alrededor del modelo que representa el fluido.

Para la generación de la malla, y la realización de los análisis se usó el software ANSYS.

3.1 Mallado

Una malla es un volumen comprendido de elementos usados para discretizar un dominio para una solución numérica [3].

Para análisis en 3D, los elementos pueden ser: Tetra Pyramid Penta (prism) Hexa Solid modeling

3D fluid modeling [3].

En nuestro caso utilizamos Tetra.

3.1.2 Calidad de malla.

En áreas de geometrías complejas los elementos de la malla pueden distorsionarse, la baja calidad de los elementos puede llevar a baja calidad de los resultados o, en algunos casos a no obtener resultados.

Existen numerosos métodos para medir la calidad de los elementos (mesh metrics), por ejemplo, una medida importante es el “Skewness” del elemento. Skewness es una medida de distorsión relativa de un elemento comparado con su forma ideal y es medida de 0 (Excelente) a 1 (Inaceptable) [4].

Fig. 3.1 Escala de skewness[4].

3.1.3 Generación de la malla.

Para generar la malla a utilizar, se tiene que tomar en cuenta el skweness, es decir, la calidad de la malla para así obtener buena calidad en los resultados.

Debido a que el número de elementos en una malla, es proporcional al trabajo computacional requerido, se encuentra una solución independiente de la malla, es decir, que aunque sigamos refinando la malla, la solución seguirá siendo la misma, esto es para encontrar un equilibrio entre una la solución y un número de elementos de la malla aceptables, sin que repercuta en la calidad de los resultados.

Para esto se prepararon 4 mallas, en el ANSYS meshing application, con diferente número de elementos.

Malla Num. de Elementos

Skewness máximo Skewness promedio

Malla 1 299,816 .8127 .23Malla 2 504,669 .7909 .23Malla 3 669,962 .842 .23Malla 4 1,308,255 .79 .23

Tabla 3.1 Propiedades de las mallas preparadas.

Se observa un Skweness máximo de .842, el cual entra dentro del rango aceptable de la fig 3.1.

Fig. 3.2 Dominio completo mallado Fig. 3.3 Corte del dominio mallado

Fig. 3.4 Superficie del alabe mallada.

4. Análisis

El análisis a realizar es simular el paso del aire a través del perfil aerodinámico, un análisis CFD, para esto se usa el ANSYS Fluent, el cual usa el método de Volumen finito.

Se importa la malla al fluent y se da de alta el tipo de análisis, las ecuaciones a utilizar y las condiciones frontera, que es lo que determina resultados de calidad.

Nuestro caso es un flujo en estado estable, se utiliza aire con velocidad de 5m/s, a presión atmosférica con densidad constante de 1.225 kg/m3, y una viscosidad de 1.7894e-05 kg/m-s.

Debido a que existe turbulencia en el análisis se activa la ecuación de viscosidad Standar K-e, para registrar la turbulencia generada.

Se establecen las condiciones frontera como 2 entradas, 4 salidas de aire y una pared, que es la superficie del alabe.

Fig. 4.1 Entradas de aire Fig. 4.2 Salidas de aire

Fig. 4.3 Pared de la superficie del alabe

5.- Resultados.

Al finalizar los análisis de los 4 casos preparados con las 4 mallas. Se obtuvieron los siguientes resultados.

Malla 1Fuerza ejercida sobre la superficie del alabe en dirección Z. 7.177 N

Contornos de presión.

Fig. 5.1 Contornos de presión sobre el plano y – z del caso 1

Fig. 5.2 Contornos de presión sobre la superficie del alabe del caso 1

Vectores de velocidad.

Fig. 5.3 Vectores de velocidad sobre el plano y – z del caso 1

Malla 2

Fuerza ejercida sobre la superficie del alabe en dirección Z. 3.9408 N

Contornos de presión.

Fig. 5.4 Contornos de presión en el plano y – z del caso 2

Fig. 5.5 Contornos de presión en la superficie del alabe del caso 2

Vectores de velocidad.

Fig. 5.6 Vectores de velocidad en el plano y – z del caso 2

Malla 3

Fuerza ejercida sobre la superficie del alabe en dirección Z. 4.245 N

Contornos de presión.

Fig. 5.7 Contornos de presión sobre el plano y – z del caso 3

Fig. 5.8 Contornos de presión sobre la superficie del alabe del caso 3

Vectores de velocidad.

Fig. 5.9 Vectores de velocidad en el plano y – z del caso 3

Malla 4

Fuerza ejercida sobre la superficie del alabe en dirección Z. 4.142N

Contornos de presión.

Fig. 5.10 Contornos de presión en el plano y – z del caso 4

Fig. 5.11 Contornos de presión en la superficie del alabe del caso 4

Vectores de velocidad.

Fig. 5.12 Vectores de velocidad en el plano y - z del caso 4

Se observa que entre el caso 3 y caso 4, la variación entre la fuerza ejercida sobre el alabe en dirección del eje z, es muy poca, y los contornos de presión y velocidad varían poco. Por lo tanto se determina que se encontró la solución independiente de la malla.

6. – Rotor

Para realizar el rotor se toma en cuenta el diámetro deseado que es de 2m, y la cantidad de 3 alabes. Se realiza un modelo 3D del mismo para posterior mente realizar el análisis CFD.

Fig. 6.1 Isométrico del rotor con el radio.

Conclusiones.

Hasta el momento se tiene un avance del 65% del proyecto, teniendo por delante, la realización de un análisis dinámico CFD del rotor para determinar la velocidad de giro del mismo con la velocidad del viento dada, en este momento es en lo que se está trabajando.

A partir de los resultados de ese análisis se procedería a seleccionar el equipo eléctrico y hacer un modelo en 3D del aerogenerador completo, final mente se realizara un análisis de funcionamiento, para determinar la potencia eléctrica entregada por el mismo.

Se espera terminar el proyecto, en el mes de Diciembre del presente año.

Referencias1. - Aerodynamics of wind turbines. Martin O. L. Hansen. 2. - An introduction to computational fluid dynamics The finite volume method. H. K. VERSTEEG and W. MALALASEKERA. 3. - ICEM CFD Introductory course. Chapter 14. – Introduction to the ANSYS Meshing application. Chapter 2