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SIMULADOR DE MÁQUINAS DE FLUIDOS

Autor: Suárez Nieto, Luis.

Directores: Mochón Castro, Luis.

Palacios Hielscher, Rafael.

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

1. INTRODUCCIÓN

El objeto principal de este proyecto es la conformación de un simulador de

orientación académica que permita trabajar con distintas familias de máquinas de fluidos.

En este caso se estudia en profundidad el diseño geométrico óptimo y el comportamiento

real fuera del punto de diseño de las turbinas hidráulicas y de las bombas hidráulicas

rotodinámicas.

Con objeto de ofrecer este simulador a la comunidad científica y para actividades de

tipo académico, se decidió implementar una interfaz web que da acceso a los simuladores

de todas las máquinas de fluidos implementadas. Este simulador está disponible en un

servidor de la Universidad Pontificia Comillas y es accesible desde cualquier dispositivo

con acceso a Internet,

Para sacar el máximo rendimiento de esta herramienta se estudian las distintas

tecnologías existentes en el mercado. Se observa algo común en todas estas, que son muy

específicos de una determinada máquina, y no se encuentra ninguna que ofrezca un estudio

de dos o más máquinas de fluidos.

Los principales objetivos de este proyecto, a parte de la revisión técnica y teórica de

las ecuaciones de comportamiento de las máquinas tratadas, buscan la creación de una

interfaz lo más sencilla e intuitiva posible, de modo que el usuario este guiado en todo

momento. Para poder lograr esto se ha decidido crear una aplicación web ya que el acceso

es libre y gratuito para cualquier usuario que simplemente tenga acceso a internet.

Los lenguajes y aplicaciones empleados son:

Lenguaje HTML [HTM13]: Utilizado para el diseño de las distintas páginas web

creadas. También es soporte de otros lenguajes usados como JavaScript.

Lenguaje JavaScript [JAV13]: Empleado dentro de código HTML para realizar

distintas validaciones y comprobaciones de entradas del usuario y a la vez dotar de

mayor dinamismo a la web.

Lenguaje PHP [PHP13]: Es el encargado de realizar los cálculos internos a partir

de los datos introducidos por el usuario, y de presentar los resultados obtenidos.

Google Chart Api [CHA13]: Usado para la conformación de gráficos dentro de

códigos PHP.

II

2. METODOLOGÍA

A partir de los objetivos impuestos en el apartado anterior se marcan los pasos o

procedimiento a seguir para el desarrollo de la herramienta.

En primer lugar se estudia en profundidad las ecuaciones de comportamiento de las

máquinas tratadas en este proyecto [AGU96]. Para la obtención de resultados se han

impuesto algunas consideraciones simplificadoras como rendimientos ideales o ángulos

fijos que no hacen variar mucho los resultados con respecto a la realidad.

Como se trata de un simulador en construcción, en los próximos años se podrán

introducir nuevas mejoras en el simulador que se aproximen en mayor medida al

funcionamiento real.

Una vez definidas y estudiadas las ecuaciones de comportamiento se pasa a la

confección de la interfaz. La estructura es doble para cada máquina ya que se estudia tanto

el diseño como el comportamiento fuera del punto de diseño. Se detallan resumidamente a

continuación:

Turbinas hidráulicas:

La parte de diseño tendría una estructura como la que se presenta a continuación:

Figura 1. Estructura y capturas de la parte de diseño de Turbinas Hidráulicas

Consta de cuatro partes fundamentales:

- Index.html: Es la página principal y de bienvenida al usuario del simulador,

común a todas las máquinas de fluidos.

- Menuturbinas.html: Es la página donde el usuario escoge entre estudiar el

diseño o el comportamiento de las turbinas hidráulicas.

- Submenudiseno.html: Es la página encargada de seleccionar el tipo de turbina y

direccionar al usuario al correspondiente centro en función de unos datos

introducidos por el usuario.

III

- Disenopelton.php, disenofrancis.php, disenokaplan.php: Son los distintos

centros de ensayos donde existe un formulario que debe rellenar el usuario

correctamente y que una vez enviados presenta los resultados, tablas y gráficas

pertinentes.

La parte de comportamiento tiene una estructura mucho más sencilla:

Figura 2. Estructura y capturas de la parte de comportamiento de Turbinas Hidráulicas

Consta de cuatro partes fundamentales:

- Index.html: Ya definida en la parte de diseño.

- Menuturbinas.html: Definida en la parte de diseño.

- Submenucomportamiento.html: Menú donde el usuario escoge entre las tres

turbinas a ensayar.

- Cpelton.php, cfrancis.php, ckaplan.php: Página de resultados. Presenta la

gráfica de rendimiento total de las turbinas en función del grado de carga.

Bombas hidráulicas rotodinámicas:

La parte de diseño tendría una estructura como la que se presenta a continuación:

Figura 3. Estructura y capturas de la parte de diseño de Bombas Hidráulicas

IV

Consta de tres partes fundamentales:

- Index.html: Ya descrita anteriormente.

- Menubombas.html: Página donde el usuario escoge el tipo de estudio a realizar,

diseño o comportamiento.

- Disenobombas.html: Centro de diseño común a las cuatro bombas que contiene

en distintos frames formulario, título, esquemas y resultados una vez validados

y enviados los datos de entrada.

La parte de comportamiento tiene una estructura muy sencilla, ya que sólo se

estudia el comportamiento fuera del punto de diseño de bombas centrífugas.

Figura 4. Estructura y capturas de la parte de comportamiento de Bombas Hidráulicas

Consta de tres partes fundamentales:

- Index.html: Ya descrita anteriormente.

- Menubombas.html: Descrita anteriormente.

- Cradial.html: Centro de ensayos común que contiene en distintos frames o secciones

formulario, título, esquemas y resultados una vez validados y enviados los datos de

entrada.

Una vez creadas las distintas páginas base de todas las máquinas se procede a la

implantación de sistemas de validación de entradas, de comprobación de entradas y otras

funciones que dotan de dinamismo a la herramienta. También se implanta un acceso directo

al comportamiento de bombas centrífugas desde los propios resultados de la parte de diseño

de modo que los parámetros geométricos calculados se traspasan al centro de

comportamiento automáticamente.

En las páginas de resultados, con extensión php, se implantan las distintas

ecuaciones y desarrollos definidos en un primer momento y se comprueba que los

resultados que se obtienen son los esperados.

V

3. RESULTADOS

En este apartado se analizan concretamente tres aspectos: resultados de los cálculos

obtenidos en la herramienta, compatibilidad de la herramienta y cumplimiento de estándares

del código programado.

Se ha demostrado mediante diversas simulaciones y experimentos que los resultados

obtenidos mediante la herramienta son prácticamente iguales a los obtenidos por

procedimiento manual. Las pequeñas diferencias que se aprecian se deben a diversas

parametrizaciones y aproximaciones detalladas en la memoria.

La compatibilidad del simulador con los distintos navegadores y dispositivos más

usuales existentes en el mercado es prácticamente total. Sólo se aprecian algunas diferencias

estéticas relativas al tamaño de las distintas formas de botones según el navegador, que no

influyen en el correcto funcionamiento de la herramienta. Para realizar estas

comprobaciones se han usado los propios dispositivos tratados y la herramienta disponible

en http://www.saucelabs.com [SAU13] para probar en distintos navegadores.

Por último, mediante la herramienta que pone en disposición la Organización

Internacional W3C en la web: http://validator.w3.org [VAL13], se comprueba la aptitud

según los estándares impuestos por esta organización de las distintas páginas web en

lenguaje HTML que conforman el software.

4. CONCLUSIONES

La conclusión más importante es que los principales objetivos basados en el

desarrollo de una herramienta-simulador de máquinas de fluidos sencilla e intuitiva y con la

mayor compatibilidad posible han sido conseguidos. El simulador se encuentra alojado en el

servidor de la universidad y está disponible de forma gratuita para cualquier usuario con

acceso a internet en la dirección:

http://www.iit.upcomillas.es/palacios/fluidos

Esta página aparece en la primera posición de Google al realizar búsquedas por los

términos:

“simulador de máquinas de fluidos”

“simulador de turbinas hidráulicas”

“simulador de bombas hidráulicas”

Para mejorar la interfaz de usuario se han desarrollado distintas funciones de

validación y comprobación de datos introducidos por el usuario evitando posibles errores en

la ejecución de los cálculos internos.

Por último, acerca de desarrollos futuros sería interesante el estudio de las curvas

topográficas de rendimientos, o colinas de rendimientos, de las turbinas y bombas

hidráulicas para poder extraer de ellas mayor información para el estudio del

comportamiento fuera del punto de diseño. Al tratarse de un proyecto abierto y en

producción, se seguirán incorporando nuevas familias de máquinas de fluidos en venideros

años. El pasado curso, 2012-13, se trabajó con máquinas oleohidráulicas y con compresores

VI

[GAR12], y en este actual proyecto se han desarrollado las turbinas hidráulicas y las

bombas hidráulicas rotodinámicas.

5. REFERENCIAS

[GAR12] Fernando García Muñoz, “Simulador de máquinas de fluidos”, ICAI-

Universidad Pontificia de Comillas, año 2012.

[AGU96] Jose Agüera Soriano, “Mecánica de fluidos incompresibles y turbomáquinas

hidráulicas”, Ciencia 3 Editorial, año 1996.

[HTM13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje HTML,

http://www.w3schools.com/html, año 2013.

[PHP13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje PHP,

http://www.w3schools.com/php, año 2013.

[JAV13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje Java Script

http://www.w3schools.com/javascript, año 2013.

[CHA13] Google, aplicaciones Google Chart Api, http://developers.google.com/chart,

año 2013.

[SAU13] Saucelabs, simulador de diversos navegadores, http://www.saucelabs.com,

año 2013.

[VAL13] W3C o World Wide Web Consortium, cumplimiento de estándares HTML,

http://validator.w3.org, año 2013.

I

LIQUID FLUID MACHINE SIMULATOR

Author: Suárez Nieto, Luis.

Directors: Mochón Castro, Luis.

Palacios Hielscher, Rafael.

Collaborating Organization: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.

PROJECT SUMMARY

1. INTRODUCTION

This project’s main aim is the configuration of an academically-orientated

simulator, which permits working with different families of fluid machines. In this case

the design and the performance of hydraulic turbines and rotary dynamic pumps are

studied in great detail.

The simulator is designed to both the scientific and academic community, so

decided to develop one web page with all the fluid machines inside. This application is

accessible from everywhere with internet access in the Universidad Pontificia de

Comillas web page.

In order to achieve the tool’s maximum performance, different technologies

existing on the market have been studied. There is a common denominator to all these

technologies: they are all specifically for one type of machine, and none is found which

offers a study of two or more fluid machines.

The principal objective of this project, apart from technical revision and

behavior equation theories for the machines used, is to create the simplest and most

intuitive graphical interface which allows the user to be guided all the time. The

method chosen to fulfill this objective is the creation of a web application because

access is free to all users with internet access.

The languages and applications used are:

HTML Language [HTM13]: For design of the different web pages created.

Also serving as support for other languages used such as JavaScript.

JavaScript [JAV13]: Used within HTML codes in order to carry out different

validations and verifications of user-data and at the same time providing a more

dynamic aspect to the web.

PHP Language [PHP13]: Used to perform internal calculations using data

introduced by the user, it also presents the obtained results.

Google Chart Api [CHA13]: For creating graphics within PHP codes.

II

2. METHODOLOGY

The steps and procedures to be followed to develop the tool are based on the

objectives described above.

Firstly, performance equations of the machines dealt with in this project have

been thoroughly studied. In order to obtain results some simplifying actions have been

taken such as the assumption of ideal performance or fixed angles which won’t vary the

results too much with respect to reality.

As this simulator is under construction, over the following years new

improvements may be introduced which will bring it closer to its real functions.

After the performance equations have been defined and studied, building of the

interface is started. A double structure for each machine is used in order to study design

as well as performance outside the design point. These are detailed as continued:

Hydraulic Turbines:

The design area has a structure as presented here below:

Figure 1. Structure of the design part of Hydraulic Turbines

It has four fundamental parts:

- Index.html: The main page which welcomes the simulator’s user and is

common to all the fluid machines.

- Menuturbinas.html: On this page the user chooses between studying design

or performance of the machines.

- Submenudiseno.html: This page is responsible for choosing the type of

turbine and for redirecting the user, depending on the data introduced, to the

corresponding center.

- Peltondesign.php, francisdesign.php, kaplandesign.php: Different test

centers containing forms to be filled out correctly by the user which, when

remitted present the pertinent results, tables and graphics.

III

The performance screen has a much simpler structure:

Figure 2. Structure of the performance part of Hydraulic Turbines

It has four fundamental parts:

- Index.html: Already defined in the part corresponding to design.

- Menuturbinas.html : Defined in the part corresponding to design.

- Submenucomportamiento.html: Where the user chooses to test on one of the

three turbines.

- Cpelton.php, francis.php, ckaplan.php: Results page. It presents a graphic of

the overall performance of the turbines depending on the grade of loading.

Rotary Dynamic Hydraulic Pumps

The design screen has the following structure

Figure 3. Structure of the design part of Rotary Pumps

IV

This screen has three fundamental parts:

- Index.html: Already defined beforehand

- Menubombas.html: The user chooses the type of research, design or

performance he wants to carry out.

- Disenobombas.html: Design center common to the four pumps containing

different frames or formula sections, titles, schemes and results once the

input data has been validated and remitted.

The performance part has a very simple structure, as only performance outside

the design point of centrifugal pumps is studied.

Figure 4. Structure of the performance part of Rotary Pumps

This screen has three fundamental parts:

- Index.html: Described beforehand

- Menubombas.html: Described beforehand

- Cradial.html: Trial center common to all pumps which has different frames

or formula sections, titles, schemes and results once the input data has been

validated and remitted.

After creating the different basic pages of all the machines, the next procedure is

the establishment of different systems which validate and verify input as well as other

functions which provide a dynamic operation to the site. A direct link is also introduced

to the centrifugal bomb performance area from the results of the design area so that the

geometrical parameters calculated are transferred automatically to the performance

center.

On the results pages, with php. extension, different equations and improvements

defined at the beginning, are established and verification that the results obtained are

those desired is carried out.

V

3. RESULTS

In this section three aspects are analyzed: results of the operations obtained on

the site, compatibility of the site and compliance to the standards with regard to the

code programmed.

Using different simulations and experiments, the results obtained on this tool are

practically the same as those obtained in a manual procedure. Small differences

appreciated are due to different parameterizations and approximations detailed in the

memory.

The simulator is compatible to almost all types of browsers and mobile devices

available on the market. Only a few variations are appreciated related to web design,

line breaks or different sizes in the types of buttons, depending on the browser used,

which do not interfere at all with the correct functioning of the tool. To analyze the

compatibility it have been used the different devices and the web page

http://www.saucelabs.com [SAU13] to study the simulator in different browsers.

Finally, using a program supplied by the International Organization W3C, on its

web-site http://validator.w3.org [VAL13], the capacity is verified based on the standards

established by this organization regarding the different web pages in HTML language

which make up the software.

4. CONCLUSIONS

The most important conclusion is that the main aim regarding the development

of a simple, intuitive software tool simulator for fluid machines, with the highest

possible compatibility has been achieved. The simulator can be found on the

University’s website and is available, free of charge, to any user with access to the

internet at the following web-address:

http://www.iit.upcomillas.es/palacios/fluidos

Another important conclusion to be commented on is the advantages of the

different validating and verifying functions and the verification of the data introduced

by the user which avoids errors in the processing of internal calculations.

Lastly, regarding future developments, the study of topographic output curves,

or performance hills of the hydraulic turbines and pumps would be interesting in order

to capture all the information possible regarding the study of performance outside the

design-point. As commented earlier on, the incorporation of new families of fluid

machines is also open. Last year, in 2012-13, there were studied the compressors and

oleohydraulic machines [GAR12], and this year the hydraulic turbines and pumps.

VI

5. BIBLIOGRAPHY

[GAR12] Fernando García Muñoz, “Simulador de máquinas de fluidos”, ICAI-

Universidad Pontificia de Comillas, year 2012.

[AGU96] José Agüera Soriano, “Mecánica de fluidos incompresibles y

turbomáquinas hidráulicas”, Ciencia 3 Editorial, year 1996.

[HTM13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje HTML,

http://www.w3schools.com/html, year 2013.

[PHP13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje PHP,

http://www.w3schools.com/php, year 2013.

[JAV13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje Java Script

http://www.w3schools.com/javascript, year 2013.

[CHA13] Google, aplicaciones Google Chart Api,

http://developers.google.com/chart, year 2013.

[SAU13] Saucelabs, simulador de diversos navegadores,

http://www.saucelabs.com, year 2013.

[VAL13] W3C o World Wide Web Consortium, estándares HTML,

http://validator.w3.org, year 2013.