Validación numérico-experimental de bomba vertical tipo turbina, a través CFD y ensayos en banco de pruebas en empresa del rubro

Abstract

En el presente estudio, se realizó una simulación de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando el software comercial FLUENT de ANSYS, versión 2023R2, con el objetivo de evaluar la precisión y exactitud de diversos modelos de turbulencia. Se analizaron el modelo k-épsilon realizable, el modelo k-omega Shear Stress Transport (SST) y el modelo k-omega generalizado (GEKO) en el contexto de una bomba centrífuga vertical tipo turbina (VTP). La simulación se aplicó a dos geometrías distintas, siendo la geometría tipo I aquella que abarca el volumen de control de los rodetes, difusores y ductos de descarga y succión, mientras que la geometría tipo II incluye todos los componentes de la bomba. Se describió un procedimiento exhaustivo que abarca desde el diseño asistido por computadora (CAD) hasta la configuración de la simulación en FLUENT, incluyendo el mallado con elementos poliédricos y hexcore. Se extrajeron datos de la simulación relacionados con las diferencias de presión entre etapas y los torques en los rodetes. A partir de estos datos, se generaron las curvas características de altura total de la bomba, eficiencia y potencia mecánica, las cuales fueron comparadas con las curvas obtenidas en el banco de pruebas. Los resultados indicaron que el modelo k-omega SST ofreció un mejor desempeño en términos de altura total de la bombay eficiencia en los valores cercanos al caudal de diseño para la geometría tipo II, aunque los valores de potencia mecánica resultaron mas alejados de los valores medidos. Por otro lado, para la geometría tipo I, el modelo k-épsilon realizable presentó mejores resultados en la curva de potencia mecánica.

In the present study, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were conducted using ANSYS FLUENT 2023R2 to evaluate the accuracy and precision of various turbulence models. The realizable k-epsilon model, the k-omega Shear Stress Transport (SST) model, and the generalized k-omega (GEKO) model were analyzed in the context of a vertical turbine pump (VTP). The simulation was applied to two distinct geometries: Geometry Type I encompassed the control volume of the impellers, bowls, and discharge and suction ducts, while Geometry Type II included all pump components. A comprehensive procedure was described, covering everything from Computer-Aided Design (CAD) to the simulation setup in FLUENT, including meshing with polyhedral and hexcore elements. Simulation data on inter-stage pressure differences and impeller torques were extracted. Based on these data, performance curves for discharge head, efficiency, and mechanical power were generated and compared with those obtained from test bench measurements. The results indicated that the k-omega SST model offered superior performance in terms of discharge head and efficiency near the design flow rate for Geometry Type II, although the mechanical power values were further from the measured values. On the other hand, for Geometry Type I, the realizable k-epsilon model yielded better results in the mechanical power curve.