MODELACIÓN FLUIDO-DINÁMICO DE UNA TURBINA HIDROCINÉTICA GORLOV, UTILIZANDO EL SOFTWARE DE SIMULACIÓN ANSYS FLUENT

Abstract

En este trabajo se realiza un estudio aproximado del comportamiento de una turbina mareomotriz tipo Gorlov para su posible uso en los fiordos y canales de la XI Región de Aysén, con el fin de suministrar energía eléctrica a pequeñas localidades. Se utiliza el software ANSYS Fluent para modelar la turbina numéricamente con el método de volúmenes finitos. Luego de una breve comparación de distintas turbinas mareomotrices, se explica la hidrodinámica de una turbina de flujo transversal y se revisan los fundamentos teóricos de la dinámica de fluidos computacional, las ecuaciones de Navier-Stokes y la capa límite. La metodología utilizada es explicada y se valida con una serie de simulaciones para poder escoger los parámetros de los dominios, condiciones de borde y la discretización espacial y temporal.Las simulaciones muestran que el torque y la potencia fluctúan durante el giro de la turbina, evidenciando tres máximos y tres mínimos durante una rotación. Además, las fluctuaciones se incrementan a medida que la velocidad de flujo aumenta. Al mismo tiempo, el patrón de los tres máximos y tres mínimos se comienza a perder cuando el TSR aumenta y la turbina gira a mayor velocidad angular, generando mayor turbulencia.Las curvas de eficiencia tienen sus máximos en un TSR alrededor de 1,0. Los valores de estos máximos se ubican entre 3,5% y 5%, mostrando un incremento al aumentar la velocidad de flujo. Es importante destacar que, debido a las limitaciones en los recursos computacionales y temporales, no fue posible alcanzar la independencia de malla en la discretización espacial, por lo que los resultados están condicionados por la fineza del mallado. Se observa que la eficiencia de la turbina aumenta a medida que la malla se afina, por lo que la eficiencia real se espera en rangos mayores que el obtenido aquí.Basándose en los resultados del presente trabajo, no se recomienda la implementación de la turbina para el aprovechamiento de la energía mareomotriz, ya que cuenta con una potencia máxima de 300 W, aproximadamente, para una velocidad de flujo de 2 m/s y un TSR de 1,0, lo que corresponde a una eficiencia de alrededor de solo 4%.This thesis shows an approximate study of a Gorlov tidal turbine’s behavior for posible use in the fjords and channels of Chile’s Aysen region in order to supply electricity to small villages. ANSYS FLUENT software and the finite volume method is used to model the turbine numerically. After a brief comparison between different tidal turbine technologies, hydrodynamics of cross-flow turbines are explained and the theoretical foundations of computational fluid dynamics, the Navier-Stokes equations and the boundary layer are reviewed. The methodology is explained and validated through a series of simulations in order to choose the parameters regarding domains, boundary conditions and spatial and temporal discretization.Simulations show that the torque and power fluctuate during the rotation of the turbine, showing three peaks and three minimum during one rotation. Furthermore, the fluctuations increase as the flow rate goes up. At the same time, the pattern of three peaks and three minimum start to vanish as the Tip Speed Ratio increases and the turbine rotates at higher angular velocities, generating increased turbulence.Efficiency curves have their peaks at TSR of about 1.0 and maximum efficiencies lay between 3.5% and 5%. The higher efficiencies come with higher flow rates. Due to limitations in computational resources and time, it was not possible to achieve mesh independence, so that the results still depend on the sizing of the mesh. It is seen that the turbine efficiency increases as the mesh is refined, so that the actual efficiency is expected in higher ranges than indicated.Based on the results of this study, the implementation of the turbine for tidal energy use is not recommended due to a low maximum power output of approximately 300 W for a flow rate of 2 m/s and a TSR of 1.0, which corresponds to an efficiency of only about 4%.