Desarrollo de un código de interacción viscosa-invíscida orientado a turbomaquinaria

Abstract

Se describe la metodología utilizada para analizar el comportamiento fluidodinámico de un tipo particular de turbomáquina, la turbina eólica de eje horizontal. Se considera que las palas de la turbina, que presentan torsión y curvatura, trabajan bajo condiciones de rotación y viento incidente uniformes. El análisis se realiza mediante un proceso de interacción entre la zona del campo fluidodinámico en donde los efectos viscosos pueden despreciarse y la región próxima a las superficies de la pala, donde los efectos viscosos son preponderantes. La zona externa, caracterizada por un flujo invíscido, es resuelta mediante la aplicación del método de los paneles, técnica que representa tanto la pala como su estela helicoidal mediante un entramado de hilos vorticosos, cada uno de ellos con una circulación asociada. La capa viscosa que se desarrolla sobre las superficies es resuelta por medio de la discretización de las ecuaciones de la capa límite tridimensional de Prandtl, bajo condiciones estacionarias, en un sistema coordenado curvilíneo no ortogonal, implementando la técnica de las diferencias finitas. Ambas soluciones numéricas están acopladas pues el flujo invíscido actúa de condición de contorno para la solución viscosa. El análisis del flujo en la capa viscosa se limita a una condición de régimen laminar, razón por la cual el presente estudio se restringe a turbinas eólicas de pequeño porte. Entre las contribuciones de la presente tesis se destacan la modificación del modelo de Dyment para la representación de turbinas eólicas mediante la teoría de los discos actuadores y el desarrollo de las ecuaciones de la capa límite estacionaria tridimensional en componentes físicas contravariantes en un sistema coordenado curvilíneo generalizado (no- ortonormal ni homogéneo) solidario a una pala rotante.