Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Autor: Luis Manuel Vilches Ramírez Tutor: Sergio Esteban Roncero Dpto. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Índice de Tablas ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Autor: Luis Manuel Vilches Ramírez Tutor: Sergio Esteban Roncero Profesor Contratado Doctor Dpto. de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Índice de Tablas iv Trabajo Fin de Grado: Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Autor: Luis Manuel Vilches Ramírez Tutor: Sergio Esteban Roncero El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal Índice de Tablas vi A mi familia A mis amigos y todas las personas que he conocido en la Escuela que me han ayudado Índice de Tablas viii Agradecimientos Este trabajo representa el final de una época que recordaré siempre en mi vida. He conocido a personas maravillosas que me han hecho y me hacen muy feliz. Querría agradecer en primer lugar a mis padres y a mi hermana por tener que soportarme y saber aconsejarme y ayudarme en mis peores momentos. A Claudia, que ha hecho que cualquier momento compartido con ella sea maravilloso. Por último, quiero agradecer a todas las personas que he conocido en la ETSI que me han ayudado de una manera u otra, tanto amigos como profesores, ya que sin ellos hubiera sido todo más difícil. Luis Manuel Vilches Ramírez Sevilla, 2022 Índice de Tablas xvi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1-1. Experimentación realizada con anterioridad 7-8-9 Tabla 2-1. Datos experimentales dentro del túnel de viento 16 Tabla 2-2. Datos experimentales con los ventiladores 17 Tabla 2-3. Datos experimentales a la entrada del túnel 17 Tabla 4-1. Datos de velocidad de entrada CFD 45 Tabla 4-2. Datos Recta Regresión Velocidad Mínima 48 Tabla 4-3. Datos Recta Regresión Velocidad Máxima 50 Tabla 4-4. Datos Comparación 10% 53 Tabla 4-5. Datos Comparación 20% 54 Tabla 4-6. Datos Comparación 30% 55 Tabla 4-7. Datos Comparación Experimentación ya realizada 56 Tabla 5-1. Curva característica del ventilador 76 Tabla 7-A. Parámetros CFD 82 Índice de Figuras xviii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Francis Herbet Wenham 4 Figura 1-2. Vista preliminar túnel de viento de la ETSI 5 Figura 1-3. Ejemplo análisis aerodinámico 6 Figura 1-4. Ejemplo análisis estructural 7 Figura 2-1. Interfaz de CATIA 12 Figura 2-2. Entrada del túnel de viento de la ETSI 13 Figura 2-3. Malla hexagonal del túnel 14 Figura 2-4. Ventiladores del túnel 15 Figura 2-5. Zonas Cámara dónde se obtuvieron datos 18 Figura 2-6. Zonas Entrada dónde se obtuvieron datos 19 Figura 2-7. Ventilador CATIA 20 Figura 2-8. Interfaz STAR-CCM+ 21 Figura 2-9. Resultado final mallado 1 22 Figura 2-10. Resultado final mallado 2 22 Figura 2-11. Ejemplo Grafico Residuos 23 Figura 3-1. Túnel completo 1 24 Figura 3-2. Túnel completo 2 24 Figura 3-3. Contracción horizontal 25 Figura 3-4. Cajones 26 Figura 3-5. Cajones implementados 27 Figura 3-6. Malla hexagonal 28 Figura 3-7. Malla hexagonal más cerca 28 Figura 3-8. Perspectiva de la malla hexagonal 29 Figura 3-9. Malla hexagonal implementada 29 Figura 3-10. Malla hexagonal implementada más cerca 30 Figura 3-11. Perspectiva de la malla hexagonal implementada 30 Figura 3-12. Malla cuadrada 31 Figura 3-13. Perspectiva de la malla cuadrada 31 Figura 3-14. Malla cuadrada implementada 32 Figura 3-15. Malla cuadrada implementada ampliada 32 Figura 3-16. Perspectiva de la malla cuadrada implementada 33 Figura 3-17. Ventilador de frente 34 Figura 3-18. Ventilador por detrás 35 Figura 3-19. Puerta 36 Figura 3-20. Recubrimiento cuadrado 36 Figura 3-21. Recubrimiento rectangular 37 Figura 3-22. Unión Camara-Contracción 37 Figura 3-23. Entrada corregida con bloques 38 Figura 3-24. Bloque corrección lateral 38 Figura 3-25. Bloque corrección arriba y abajo 39 Figura 3-26. Túnel para implementar en CFD 39 Figura 3-27. Cámara de pruebas para implementar en CFD 40 Figura 4-1. Interfaz Solucionar errores STAR-CCM+ 42 Figura 4-2. Bloque generado 43 Figura 4-3. Mallado 44 Figura 4-4. Modelos físicos 44 Figura 4-5. Comparación Velocidad de entrada 46 Figura 4-6. Cambio en la entrada del túnel 47 Figura 4-7. Modelo simplificado túnel de viento 47 Figura 4-8. Comparación Velocidad Mínima 49 Figura 4-9. Perfil de velocidades Velocidad Minima 49 Figura 4-10. Gráfica Residuos Velocidad Minima 50 Figura 4-11. Comparación Velocidad Máxima 51 Figura 4-12. Perfil de velocidades Velocidad Máxima 52 Figura 4-13. Gráfica Residuos Velocidad Máxima 52 Figura 4-14. Comparación 10% 54 Figura 4-15. Comparación 20% 55 Figura 4-16. Comparación 30% 56 Figura 4-17. Comparación Experimentación ya realizada 57 Figura 5-1. Perfil de velocidades 10% Mitad del tunel 59 Figura 5-2. Perfil de velocidades 10% Pared 60 Figura 5-3. Pequeños agujeros CATIA 61 Figura 5-4. Perfil de velocidades en los agujeros 61 Figura 5-5. Perfil de velocidades 10% al 25% 62 Figura 5-6. Plano al 25% 62 Figura 5-7. Plano al 75% 63 Figura 5-8. Perfil de velocidades 10% al 75% 63 Figura 5-9. Perfil de velocidades 10% Entrada Pared 64 Figura 5-10. Gráfica Residuos 10% 64 Figura 5-11. Perfil de velocidades 20% Mitad del tunel 65 Índice de Figuras xx Figura 5-12. Perfil de velocidades 20% Pared 65 Figura 5-13. Perfil de velocidades 20% al 25% 66 Figura 5-14. Perfil de velocidades 20% al 75% 66 Figura 5-15. Perfil de velocidades 20% Entrada Pared 67 Figura 5-16. Gráfica Residuos 20% 67 Figura 5-17. Perfil de velocidades 30% Mitad del tunel 68 Figura 5-18. Perfil de velocidades 30% Pared 69 Figura 5-19. Perfil de velocidades 30% al 25% 69 Figura 5-20. Perfil de velocidades 30% al 75% 70 Figura 5-21. Perfil de velocidades 30% Entrada Pared 70 Figura 5-22. Gráfica Residuos 30% 71 Figura 5-23. Perfil de velocidades Excel Mitad del tunel 72 Figura 5-24. Perfil de velocidades Excel Pared 72 Figura 5-25. Perfil de velocidades Excel al 25% 73 Figura 5-26. Perfil de velocidades Excel al 75% 73 Figura 5-27. Gráfico Residuos Excel 74 Figura 5-28. Geometría ventilador a importar 75 Figura 5-29. Mallado de la estela 76 Figura 5-30. Mallado completo 77 Figura 5-31. Perfil de velocidades Ventilador 1 77 Figura 5-32. Perfil de velocidades Ventilador 2 78 Figura 5-33. Gráfico residuos ventilador 78 Figura 6-1. Vista panorámica Túnel de Viento de la ETSI 80 Figura 7-B1. Primera parte Manual de instrucciones anemómetro 83 Figura 7-B2. Segunda parte Manual de instrucciones anemómetro 84 Figura 7-C1. Primera parte Data Sheet Ventilador 85 Figura 7-C2. Segunda parte Data Sheet Ventilador 86 Figura 7-C3. Tercera parte Data Sheet Ventilador 86 1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se presenta la estructura del Trabajo Fin de Grado (TFG). En primer lugar, se explica qué es un túnel de viento y su historia; en segundo lugar, se presentan los antecentes que originan al TFG; en tercer lugar, se exponen los objetivos del mismo. Por último, se muestra la estructura que se ha utilizado para la realización de este. 1.1 Breve historia de los túneles de viento Un túnel de viento es un tubo dónde se inyecta aire a través de él para estudiar los efectos del movimiento del aire en piezas sólidas que pueden pertenecer a aviones, automóviles, drones, misiles, etc. Con este dispositivo se pretende simular las condiciones que tendrá el objeto de estudio cuando esté funcionando en similares condiciones fluidodinámicas. Los objetos sólidos están quietos mientras el aire pasa alrededor suyo. El aire es impulsado o succionado mediante unos ventiladores, mientras que en el conductor suelen existir unas rejillas para estabilizar el flujo de aire para que éste sea homogéneo. Si se desea que sea turbulento, se suelen utilizar obstáculos que perturban la corriente fluida. Existen diferentes clasificaciones para distinguir a los túneles de viento, algunas de éstas son por la circulación de aire que se da, que pueden ser de circuito abierto (si se toma el aire de la atmósfera) o circuito cerrado (si el aire va dando vueltas a través del túnel); por la velocidad a la que viaja el aire (que puede ser subsónico, transónico, supersónico o hipersónico); por su uso principal o por la orientación del aire (horizontal o vertical). [1] Las principales partes que conforman un túnel de vientos son las siguientes: - Cámara de ensayos: Es dónde se coloca el objeto de estudio. - Contracción: Es el comienzo del túnel y su principal función es aumentar la velocidad del flujo de aire. - Difusor: Se encarga de reducir la velocidad del flujo aumentando el área de la sección. - Ventilador o ventiladores: Son los encargados de generar el flujo de aire. - Mallas estabilizadoras: Se encargan de normalizar el aire, se pueden encontrar tanto al principio (es lo más común) como al final del túnel. Introducción 10 1.4 Estructura del trabajo Para conseguir los objetivos anteriores el TFG se ha dividido en diferentes capítulos, presentándose a continuación un breve resumen de cada sección. -Capítulo 1. Introducción: Es el capítulo en que se engloban estas líneas. Se presentan los antecedentes, el objetivo y la estructura del proyecto. -Capítulo 2. Herramientas y Métodos: En el que se exponen todos los instrumentos que se han utilizado para la realización del TFG, tanto herramientas digitales como fisícas, así como la experimentación que se ha llevado a cabo. -Capítulo 3. Resultados CATIA: En el que se muestran todos los resultados obtenidos tras la modelización del túnel de viento de la ETSI. -Capítulo 4. Resultados Preliminares CFD: En el que se presentan los primeros resultados CFD que se centran en la justificación de las geometrías usadas, en la comparación de estos resultados con la experimentación, y en las conclusiones que se llega a través de esto. -Capítulo 5. Resultados CFD: En esta sección se centra la exposición y discusión de las simulaciones realizadas a diferentes geometrías del túnel de viento, exponiéndose en detalle cada uno de los estudios realizados. -Capítulo 6. Conclusiones y futuras líneas de desarrollo: En el que se exponen las conclusiones obtenidas tras la consecución de los resultados y los futuros estudios que surgen de la realización de este proyecto. Herramientas y Métodos 12 2 HERRAMIENTAS Y MÉTODOS n este apartado se presentan las herramientas y los métodos usados para la realización del TFG. Se exponen la descripción, el por qué y modo de uso de los programas informáticos utilizados, las medidas experimentales que se han necesitado tanto para la modelización del túnel como para el análisis en CFD y los experimentos hechos con el mismo objetivo. Para ello, se divide el capítulo en distintos apartados dónde se explicará todo lo relacionado con los puntos expuestos anteriormente. 2.1 CATIA Para la caracterización de cada una de las partes que componen el túnel se ha utilizado el programa informático CATIA. CATIA es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora comercial realizado por Dassault Systèmes, usándose la versión V5R20 en este TFG. El programa está diseñado para ayudar en el diseño, producción y análisis de productos. Fue desarrollado para la industria aeronáutica pero actualmente se usa en múltiples campos de la ingeniería donde la automovilística es una de las más importantes. [4] A continuación, en la Figura 2.1, se muestra una imagen de la interfaz del programa al iniciarse: Figura 2-1. Interfaz de CATIA El programa contiene múltiples módulos en los que puede realizarse operaciones diferentes tales como la generación de superficies, simulación de productos o sistemas, entre otros muchos. Para este TFG se han usado los módulos denominados en inglés “Part Design” y “Assembly Design” que se encargan de la E 13 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI generación de objetos en tres dimensiones, así como de de la unión, la relación y las restricciones entre varios de ellos respectivamente. 2.2 Experimentización y medidas del túnel de viento En este subapartado se va a explicar todos los ensayos realizados en el túnel de la ETSI que han ayudado, tanto a la caracterización de éste en el propio CATIA, como en la realización de los estudios mediante CFD. 2.2.1 Medidas del túnel de viento Para ello, lo primero que se realizó fueron diversas medidas para poder representar fielmente cada una de las partes que componen al túnel, tanto de partes concretas como de separación entre estas. Las medidas se realizaron con un flexómetro retráctil. A continuación, se detallan cada una de estas partes con diversas imágenes para visualizarlas mejor. -Cajones: Al comienzo del túnel se encuentran unos cajones como se puede observar en la Figura 2.2. Estos se dividen en unas células 3x3 que a su vez, cada una de ellas, se dividen en células 3x3 mas pequeñas; es decir se encuentran 9 cuadrados donde cada uno de ellos se divide a su vez en otros 9 cuadrados. Cada uno de estos cuadrados tienen de longitud de lado 32,5 cm y el grosor del lado es de 1 cm. En la división entre células se observa un mayor grosor de 2 cm. La longitud de los cajones es de 1 m. Asimismo, en la figura anterior, se observa una malla situada en la ventana que tiene como función que no entren objetos del exterior dentro del túnel, este elemento no se ha modelado ya que no tiene ninguna función más allá que la expuesta. Figura 2-2. Entrada del túnel de viento de la ETSI Herramientas y Métodos 14 - Malla hexagonal (Honeycomb): Tras los cajones se encuentra una malla hexagonal de 6 cm de grosor, donde la diagonal de cada uno de los hexágonos mide 6,5 mm y el lado de los hexágonos tiene 0,5 mm de grosor, como se muestra en la Figura 2.3. Figura 2-3. Malla hexagonal del túnel - Malla cuadrada: El túnel también posee dos mallas, esta vez formadas por cuadrados en vez de hexágonos como se ha mostrado en la malla anterior. El lado del cuadrado es 2.22 mm de longitud y el grosor del lado es de 0.68 mm. - Ventiladores: Las medidas de los ventiladores se recogen en el data sheet del propio ventilador, que se deja recogido en los anexos de este documento, mostrándose en la figura 2.4 una imagen de los mismos. 15 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 2-4. Ventiladores del túnel - Separación entre mallas: Por último, se ha medido la distancia entre los elementos de la entrada para poder situarlos dentro del túnel, tal y como están en la realidad. Lo primero que se puede encontrar, como se ha comentado anteriormente, son los cajones, tras ellos está la malla hexagonal a una distancia de 6 cm entre el final de los cajones y el comienzo de esta. Tras ella se encuentran las dos mallas cuadradas, la primera de ellas se sitúa a 17 cm del final de la malla hexagonal; y entre la primera y la segunda malla cuadrada, hay una distancia de 5 cm. Herramientas y Métodos 16 2.2.2 Experimentación Aparte de las medidas para poder caracterizar el túnel, también se han realizado diversos experimentos del funcionamiento de éste, con el principal objetivo de corroborar los datos que se obtienen a través de las técnicas CFD y poder analizar las principales diferencias entre los resultados con el programa informático y los datos que se obtienen experimentalmente. Con este objetivo, se obtuvieron datos dentro del túnel, a la entrada de este y cerca de los motores para poder comparar los resultados en todos los casos. Todas las medidas se presentan en las Tablas 2.1, 2.2 y 2.3, y fueron obtenidas con un anemómetro testo 435, cuyo manual de funcionamiento se encuentra en los anexos de este documento. Todos los datos se obtuvieron a través de la función “Mean” que se encuentra en el propio anemómetro. En este modo se realiza una media de todos los valores de velocidad obtenidos durante un intervalo de tiempo determinado (10 segundos) Como se muestra en las tablas nombradas anteriormente, los experimentos se hicieron para tres casos, al 10% de la potencia total de los ventiladores, al 20% y al 30%. Al tener que situarse el portador del anemómetro dentro del túnel para las medidas dentro de este y a una distancia muy cercana de los ventiladores para estos (se realizaron a unos 50 cm aproxidamente), fue inviable realizar medidas a una potencia superior al 30%. A continuación, se muestran las tablas con todos los datos obtenidos en las pruebas experimentales realizadas. Tabla 2-1. Datos experimentales dentro del túnel de viento 10% (𝒎 𝒔) 20% (𝒎 𝒔) 30% (𝒎 𝒔) Pared CP Altura (m) 5.04 6.48 8.13 1.7 4.92 5.02 7.23 1.4 5.10 6.32 8.45 0.9 5.48 6.58 8.50 0.2 10% 20% 30% Centro CP Altura 5.89 8.19 9.23 1.7 5.67 7.19 8.38 1.4 5.23 6.65 8.76 0.9 4.70 6.59 7.41 0.2 10% 20% 30% Malla Pared Altura 1.01 1.54 2.06 1.42 1.23 1.65 2.16 1.15 1.52 1.98 2.37 0.8 1.21 1.54 1.84 0.2 10% 20% 30% Malla Centro Altura 1.9 2.38 2.98 1.42 1.83 2.45 3.00 1.15 17 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI 1.81 2.33 2.97 0.8 1.62 1.82 2.55 0.2 Tabla 2-2. Datos experimentales con los ventiladores Tabla 2-3. Datos experimentales a la entrada del túnel Centro 1 Derecha 1 Izquierda 1 Centro 2 Derecha 2 Izquierda 2 Centro 3 Derecha 3 Izquierda 3 10% 2.15 2.21 1.70 1.79 1.96 1.67 1.81 1.83 1.74 20% 2.76 2.59 2.46 2.72 2.15 2.42 2.84 2.65 2.43 30% 3.45 3.24 3.31 3.39 3.37 3.05 3.10 3.45 3.34 10% 20% 30% Ventilador Esquina 1.91 2.60 2.94 Centro 4.39 5.67 7.06 Derecha 5.81 7.66 8.46 Abajo 4.37 5.59 7.03 45º 4.13 5.53 6.61 Mitad hacia abajo 10% 20% 30% Ventilador C Esquina 1.84 2.95 3.70 Centro 5.39 6.05 6.69 Derecha 4.86 6.80 7.87 Abajo 4.84 5.91 7.09 45º 4.55 5.61 6.02 Mitad hacia abajo 10% 20% 30% Ventilador Central 2.96 3.37 3.50 Centro 4.78 6.42 7.45 Derecha 4.67 7.15 7.71 Abajo 5.57 6.52 8.34 45º 5.46 7.25 7.68 Mitad hacia abajo Herramientas y Métodos 18 Más concretamente, en la Tabla 2.1, se muestran las medidas obtenidas dentro del túnel de viento, donde la primera columna se exponen los datos para el caso al 10% de la potencia completa de los ventiladores, la segunda columna para el caso al 20%, la tercera para el caso al 30%, la cuarta para indicar de qué zona se han obtenido las medidas y la quinta para precisar a qué altura, con respecto al suelo, se han obtenido los resultados. Todas las medidas se han realizado para una mitad del túnel, por ser simétrico. Asimismo, Pared CP se refiere a datos obtenidos a escasos centímetros de la pared dentro de la cámara de pruebas (CP), Centro CP indica los datos obtenidos en el centro de la propia cámara de pruebas, Malla Pared, a los datos obtenidos cercanos a la pared y la segunda malla cuadrada (la que se sitúa más cercana a la cámara de ensayos, se midieron aquí porque simplemente es la única malla accesible) y Malla Centro a los datos obtenidos en el centro de malla anteriormente comentada. Para los datos de las mallas, el anemómetro se situó a unos 20 cm aproximadamente del final de ésta. Con respecto a las alturas, para la cámara de pruebas se escogieron los indicados en la Tabla 2.1 ya que con ellos se tiene el barrido completo de la cámara. Para los de la malla esto fue imposible ya que mide 2,8 m de alto, por lo que se obtuvieron con el mismo criterio que para la cámara pero hasta la mitad de esta, y por simetría los datos son completamente análogos. En las Figuras 2.5 y 2.6 se pueden observar de una forma más visual a qué puntos se refiere cada una de las partes comentadas (se han eliminado varios elementos como las mallas en la entrada del túnel para una mayor claridad visual). Figura 2-5. Zonas Cámara dónde se obtuvieron datos 19 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 2-6. Zonas Entrada dónde se obtuvieron datos Con respecto a la Tabla 2.2, se muestran los valores extraídos de los ventiladores, medidos a unos 50 cm de estos por la parte de fuera del túnel como se ha citado, es decir, desde el exterior. En la primera columna de la tabla se muestran los resultados para el caso al 10%, en la segunda columna para el caso al 20%, la tercera para el 30% y la cuarta para indicar en qué ventilador y a qué parte de este se refiere cada uno de los datos mostrados en su fila. Al ser doblemente simétricos los ventiladores, tanto verticalmente como horizontalmente, los datos se han obtenido para el cuarto inferior derecho de cada uno de los 3 ventiladores. Como la matriz de ventiladores es una matriz 3x3, al extraer datos del ventilador central, de un ventilador de una esquina (en este caso para el de la esquina inferior izquierda) y de un ventilador central de alguno de los lados de la matriz (en este caso para el del lado inferior de la matriz, que está representado en la tabla como Ventilador C Esquina) se tienen datos suficientes para la caracterización de estos por simetría. Como se ha comentado, los datos se han recogido para el cuarto inferior derecho de los 3 ventiladores. Por lo tanto, yendo de arriba hacia abajo en la tabla, Centro significa el valor obtenido en el centro del ventilador, Derecha en la parte más diestra, Abajo en la parte más baja, 45º en el punto que está a 45 grados del cuarto donde se obtienen los datos y Mitad hacia abajo en el punto intermedio entre Centro y Abajo. En la Figura 2.7, se muestra una imagen para que se vea más claramente a qué puntos se refiere cada uno de ellos. En la Tabla 2.3, se presentan los valores obtenidos de la velocidad del túnel a la entrada de éste. Las medidas se realizaron por fuera de la estructura, a unos veinte centímetros de la malla que se puede observar en la Figura 2.2, en la zona central, en la zona derecha a unos 30 cm del final de la entrada (lo que sería ya el comienzo de la pared) y en la zona izquierda con los mismos parámetros. Los números que van desde el uno al tres que acompañan a estas zonas donde se obtuvieron los datos, representan la altura con respecto al suelo de Resultados CATIA 26 3.2.1 Cajones El primer elemento que se encuentra el flujo de aire son los cajones que están modelados como sigue. Figura 3-4. Cajones 27 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 3-5. Cajones implementados En la Figura 3.3, se observan los cajones como elemento separado. Cabe destacar que sus medidas son las que fueron realizadas en el propio túnel como se comenta en el capitulo de Herramientas y Métodos. En cuanto a la obtención de ellos se realizaron haciendo pequeñas partes de estos y completarlos a través de patrones rectangulares. En la Figura 3.4 se muestra su colocación en el propio túnel de viento. 3.2.2 Malla Hexagonal o “Honeycomb” El siguiente elemento que se encuentra en la zona de entrada es una malla hexagonal o “honeycomb” por su forma característica de panal de abeja. Para realizar esta malla surgieron numerosos problemas principalmente debidos a la capacidad gráfica del ordenador usado. Al tener que realizar una malla de más de tres metros de ancha y casi tres metros de alta a través de hexágonos de diagonal de 6.5 mm (todas las medidas que se necesitaron se encuentran en Herramientas y Métodos como se comentó antes, las que ya se tenían se encuentran en el apartado de Antecedentes perteneciente al capítulo de Introducción), ésta contiene más de 250.000 unidades, lo que implica necesitar un ordenador con una gran capacidad gráfica para poder mostrarlo de una forma correcta. Al final la solución adoptada fue realizar en primer lugar una parte muy pequeña de la malla para después realizar un patrón rectangular que aumentara el número de hexágonos mostrados. Con esta pequeña parte de la malla, se importó en el túnel todas las partes necesarias, concretamente 49 en una malla 7x7, para así formar la malla por completo. Aún realizando esto, para poder observar con comodidad el túnel, se debe esconder la malla prácticamente en su totalidad ya que la pequeña parte que se importó 49 veces se realizó con el máximo numero de unidades que el ordenador era capaz de soportar sin quedarse bloqueado. Obviamente si se visualiza con un ordenador más potente no ocurren estos inconvenientes al observarlo. Seguidamente, en las Figuras 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 y 3.10 se muestra la malla, que se explican posteriormente con sus detalles. Resultados CATIA 28 Figura 3-6. Malla hexagonal Figura 3-7. Malla hexagonal más cerca 29 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 3-8. Perspectiva de la malla hexagonal Figura 3-9. Malla hexagonal implementada Resultados CATIA 30 Figura 3-10. Malla hexagonal implementada más cerca Figura 3-11. Perspectiva de la malla hexagonal implementada En las tres primeras figuras se muestra la pequeña porción de malla por separado donde se muestra la porción entera, la malla más de cerca para observar la forma de ésta mejor y una parte de ella pudiendo observar la profundidad que posee respectivamente. En la Figura 3.8 se puede observar la malla por completo en el túnel desde lejos en la que se han eliminado los cajones para poder verla mejor. Prácticamente se ve toda la malla en negro ya que fue imposible realizar una captura más cercana sin que el ordenador se bloqueara. Aún así, la principal función de la Figura 3.8 es observar que la malla se encuentra implementada por completo dentro del túnel. En la Figura 3.9 se observa un plano más cercano de este en el que se muestra la unión entre las diferentes porciones y en la Figura 3.10 uno aún más cercano con los fragmentos superiores escondidos para poder visualizarla mejor. 3.2.3 Malla Cuadrada Después de la malla hexagonal se tienen 2 mallas consecutivas iguales pero esta vez cuadradas en vez de hexagonales como puede observarse en las Figuras 3.11, 3.12, 3.13, 3.14 y 3.15. Los problemas que surgieron para la formación de la malla hexagonal se reproducen también en este elemento. Por ello, se optó por la misma solución comentada en el subapartado anterior con la diferencia de que en este caso se necesitaron de 90 partes divididas en una malla 9x10 ya que el cuadrado es de menor tamaño que el hexágono (2.22 mm). 31 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 3-12. Malla cuadrada Figura 3-13. Perspectiva de la malla cuadrada Resultados CATIA 32 Figura 3-14. Malla cuadrada implementada Figura 3-15. Malla cuadrada implementada ampliada 33 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 3-16. Perspectiva de la malla cuadrada implementada En la Figura 3.11, se observa la porción de malla por completo y en la Figura 3.12 la propia porción, pero observando su profundidad y con una visión mucho más cercana. En la Figura 3.13 se pasa a la malla dentro del túnel, y en este caso se observa a la malla por completo desde lejos en la que se ha eliminado la visión tanto de los cajones como de la malla hexagonal para una mayor claridad visual. Al igual que para la Figura 3.8, la Figura 3.13 muestra la malla prácticamente en negro por las mismas razones que se expusieron para la Figura 3.8 y con el mismo objetivo que esta. En la Figura 3.14, se observa la propia malla de una forma más cercana para poder observar como se unen cada una de las partes y por último, en la Figura 3.15, se presentan las dos mallas cuadradas con la separación correspondiente entre ellas. Para poder observarlo mejor, se han eliminado varias partes de cada una de ellas ya que de lo contrario sería prácticamente imposible percibirlo. 3.3 Ventilador En este subapartado se muestra el ventilador que se encuentra al final del túnel; es decir, al finalizar la parte del difusor. En las Figuras 3.16 y 3.17 se ha representado únicamente uno de los nueve que forman parte de una malla 3x3 de ventiladores ya que son idénticos entre ellos. Resultados CATIA 34 Figura 3-17. Ventilador de frente 35 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 3-18. Ventilador por detrás Así, en la Figura 3.10, se muestra el ventilador desde una vista delantera y en la Figura 3.17 desde una vista trasera, donde además se puede observar la profundidad que posee y las sujeciones que forman también parte del mismo. 3.4 Pequeñas partes añadidas En este subapartado se muestran otras partes del túnel necesarias para su estudio. Hay que destacar que no tiene sentido utilizar el túnel en su forma más compleja para analizarlo a través de CFD, puesto que muchos de los detalles del mismo serían poco significativos. Es más, sería contraproducente dejarlo de esta forma ya que implica un mayor tiempo de cálculo y una mayor posibilidad de tener errores. Es por ello que en esta sección y en las siguientes se comentan aspectos relacionados con la simplificación del túnel para acabar mostrando el modelo que se ha acabado usando para los análisis en CFD. En primer lugar, se muestran pequeñas partes que se han añadido, principalmente para taponar huecos que el modelo tenía en un principio. La más obvia y que se ha podido comprobar anteriormente, son las zonas de las puertas que están completamente abiertas, algo que no tendría sentido en un análisis del túnel. Esta y algunas más son las partes que se muestran en las Figuras 3.18, 3.19, 3.20 y 3.21. Resultados Preliminares CFD 42 4 RESULTADOS PRELIMINARES CFD n este capítulo se va a proceder a explicar los primeros resultados con CFD aplicados al modelo que se ha mostrado en el capitulo anterior. Para ello en primer lugar se explica como se han modelado los casos en el programa STAR-CCM+, que será similar a lo que se usará en el capítulo de Resultados finales, por lo que dicha explicación es común para ambas secciones. En segundo lugar, se expondrá la comparación entre los resultados experimentales obtenidos a la entrada del túnel del viento con los resultados alcanzados a través del CFD en el mismo lugar y la razón por la que se realiza. En tercer lugar, se mostrarán los resultados de una corrección que surge por la forma en la que se analiza el problema en CFD que será detallado en su apartado correspondiente. En cuarto lugar, se comparan los resultados obtenidos mediante los experimentos con los resultados logrados computacionalmente para cada uno de los casos de los que se obtuvieron datos; y finalmente, se plantean las conclusiones a las que se llega con los resultados alcanzados. 4.1 Proceso de modelización en STAR-CCM+ En este apartado se explica a grandes rasgos el procedimento que se ha seguido para realizar cada uno de los estudios CFD que se van a exponer en capítulos posteriores. Algunos de los pasos se indican con su nombre en inglés por comodidad. En primer lugar, se debe importar la geometría con la que se quiere trabajar y que ya ha sido mostrada en el capítulo anterior. Tras ello, se debe comprobar si la geometría contiene errores importantes que se realiza en la ventana del programa que se muestra en la Figura 4.1. Figura 4-1. Interfaz Solucionar errores STAR-CCM+ E 43 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI En segundo lugar, se procede a crear un bloque que englobe a la pieza que se quiere estudiar. Este bloque hace la función de túnel de viento; es decir, el bloque representa la cavidad de ese túnel imaginario dónde se encuentra nuestro objeto. Con él, se crea el “Substract”, que como su nombre indica es una operación encargarda de substraer la geometría a estudiar del bloque que se ha creado. Es recomendable que tras esta operación se renombre cada una de las partes que lo componen para conocer que es exactamente cada uno de los fragmentos que componen al “Substract”. Figura 4-2. Bloque generado El tercer paso es crear el “Surface Wrappper”, que es una operación que se encarga de crear un envoltorio al “Substract” anterior para eliminar cualquier error que pueda tener la geometría. Aunque no es completamente obligatorio, es muy recomendable ya que es muy extraño tener una geometría sin ningún error, sobre todo en piezas grandes. Cada una de estas operaciones requiere implementar una serie de parámetros que, para este proyecto, como ya se comentó en el capítulo de Herramientas y Métodos, se han utilizado los usados en el artículo realizado en el Turner-Fairbank Highway Research Center y que se encuentran representados en una tabla en los anexos de este TFG. En cuarto lugar, se realiza el mallado (Figura 4.3) que se consigue a través de la operación “Automated Mesh”. Se ha optado por un mallado poliédrico, un mallado formado por celdas con forma poliédrica, ya que tanto esto como todos los valores implicados en la realización de la malla se encuentran realizados en la referencia indicada y sobre todo debido a que es la que ha arrojado mejores resultados. Existen más opciones en STARCCM+ para la generación de la malla como el mallado tetraédrico que consiste en una malla compuesta por celdas tetraédricas o el “trimmed mesher”, que genera a través de una malla hexaédrica que se corta a su vez con la geometría que queremos analizar. En quinto lugar, se ha de indicar cuales son cada una de las partes para poder proceder al cálculo (“Inlet”, “Outlet”, Simetrías si las hubiera, etc). Cabe destacar que todos los estudios que se han realizado en este TFG han sido aplicados a la mitad del túnel por simetría, ya que con esta estrategia se reducen mucho los tiempos de cálculo de cada caso. Resultados Preliminares CFD 44 Figura 4-3. Mallado En sexto lugar, se deben indicar los modelos rigen nuestro estudio; seleccionando gas o líquido; estacionario o dinámico, etc. En nuestro caso los modelos físicos seleccionados son los siguientes: Gas, tres dimensiones, estacionario, densidad constante, flujo separado, turbulento y modelo k-epsilon turbulento. Como se puede observar la mayoría simplemente se han seleccionado porque es el problema que se está tratando como por ejemplo la selección de gas, pero alguno de ellos se han escogido por lo que se explica a continuación. Toda la información relacionada con los diferentes modelos que contiene STAR-CCM+ está indicada en la ayuda del propio programa, ya indicada anteriormente en las referencias de este TFG. [7] Ya que las velocidades con las que se ha trabajado no superan nunca la velocidad del sonido, se puede asumir flujo incompresible, por ello se ha seleccionado densidad constante como ecuación de estado. Se selecciona turbulento ya que con todas las velocidades usadas se supera el Reynolds crítico, lo que supone que para resolver el problema se necesiten ecuaciones de cierre. STAR-CCM+ presenta varias ecuaciones de cierre como Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-omega y Reynolds Stress Transport. Se ha optado por el modelo kepsilon, que es un modelo que tiene dos ecuaciones de transporte para la energía cinética y el ratio de disipación, ya que es uno de los más usados industrialmente y arroja buenos resultados para los casos que aquí se estudian. Por último, STAR-CCM+ posee para la ley de la pared diferentes tratamientos como High 𝒚+, Low 𝒚+y All 𝒚+. Este último ha sido el seleccionado (es una combinación de los dos anteriores según la zona en la que se encuentre) ya que es el más efectivo entre precisión y coste computacional. Figura 4-4. Modelos físicos 45 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Finalmente, hay que indicar cual es la velocidad de entrada en el “Inlet” y se comienza a resolver el caso que se ha planteado. Como ya se explicó en el capítulo de Herramientas y Métodos, la forma de saber si una simulación ha convergido; y, por tanto, finalizado es través de la gráfica de residuos que ya se explicó en el segundo capítulo. Cuando se tenga claro que esto ha ocurrido, se para la simulación y se puede dar por concluido el proceso de modelización de un caso en STAR-CCM+. En el caso de los ventiladores, las diferencias en el proceso de modelización se comentarán en el propio apartado en la que se describen. 4.2 Comparativa Velocidad de entrada Una de las primeras preguntas que surgen al analizar el túnel de viento de la forma que se ha explicado en el apartado anterior es si las diferencias entre la manera de analizarlo computacionalmente y la manera de como funciona en la realidad son relevantes. El túnel de viento genera el flujo de aire en su interior a través de los ventiladores situados al final de este. Sin embargo, para realizar un primer estudio en términos generales se aplica una velocidad desde el “Inlet”, la entrada del túnel de viento virtual, lo que hace que surjan dos cuestiones referentes a la entrada del túnel. En primer lugar, al imponer la velocidad desde fuera y no como consecuencia de la acción de los motores, cabría la posibilidad que la velocidad de entrada al túnel sea diferente en ambos casos. Esta cuestión es la que se resuelve en este apartado. En segundo lugar, la entrada del túnel se encuentra rodeada entre paredes, algo que no ocurre en el estudio en CFD, por lo que se estudia en el siguiente apartado si este hecho implica obtener resultados diferentes a los que se observan en la realidad. En el capítulo 2 se ha mostrado la tabla perteneciente a los valores experimentales obtenidos en la sección de entrada del túnel. A continuación, se muestra con el mismo formato que ya se explicó en el capitulo comentado la Tabla 4.1 pero con los valores obtenidos a través de los análisis en CFD. Cabe destacar que los valores a ambos lados de la entrada son siempre los mismos según el caso que se esté tratando ya que los estudios en CFD se han realizado para la mitad del túnel debido a la simetría que este posee y al hecho de que se reduce enormemente el coste computacional para la adquisición de los datos. Tabla 4-1. Datos de velocidad de entrada CFD Centro 1 Derecha 1 Izquierda 1 Centro 2 Derecha 2 Izquierda 2 Centro 3 Derecha 3 Izquierda 3 10% 2.20 1.92 1.92 2.17 1.69 1.69 2.03 1.76 1.76 20% 2.84 2.48 2.48 2.80 2.18 2.18 2.62 2.27 2.27 30% 3.48 3.04 3.04 3.44 2.80 2.80 3.21 2.87 2.87 Resultados Preliminares CFD 46 Figura 4-5. Comparación Velocidad de entrada Utilizando ambas tablas se comparan a través de una recta de regresión, donde en el eje X se representan los resultados experimentalmente y en el eje Y los resultados alcanzados a través del CFD. Los puntos azules son cada uno de los puntos que se obtienen a través de la tabla y el valor de R² se muestra en la zona superior izquierda de la grafica (esto será similar para el resto de las rectas de regresión que se presentan en futuros apartados). Como se puede observar en la Figura 4.5, se obtiene una correlacióna aceptable ya que el valor de R² de 0.8543. Cabe destacar que los experimentos utilizados en esta comparación se obtuvieron al aire libre, por lo que el propio viento de la zona exterior habrá alterado en cierta medida los resultados alcanzados, más teniendo en cuenta los valores tan pequeños de la velocidad de entrada con los que se ha trabajado. Todo ello indica que los resultados alcanzados son más que aceptables y la diferencia entre la forma de analizarlo y la que trabaja realmente no es importante para el caso que aquí se ha comparado. 4.3 Comparativa Corrección de entrada Como se ha comentado anteriormente, el túnel de viento usado para el estudio en CFD es lo más simple posible para no malgastar recursos computacionales en cálculos innecesarios. También en los apartados anteriores se ha explicado como el túnel se estudia a través de un túnel de viento virtual que lo contiene. Esto hace que en la entrada del túnel exista aire que penetre dentro de él como ocurre en la realidad, pero también que lo haya fuera del propio túnel, algo completamente diferente al caso que se estudia en la realidad, donde el aire únicamente circula por dentro de este ya que fuera hay paredes que lo engloban. Este hecho puede modificar los resultados, o bien ser una suposición asumible y que no afecte apenas. Por ello, antes de analizar cualquier resultado se ha procedido a realizar una pequeña comparativa entre los dos casos que se muestran en las Figuras 4.6 y 4.7. R² = 0,8543 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Velocidad CFD (m/s) Velocidad Experimental (m/s) 47 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 4-6. Cambio en la entrada del túnel Figura 4-7. Modelo simplificado túnel de viento En el primer caso que se muestra en la Figura 4.6, se procede a realizar una pequeña corrección en la entrada del túnel para evitar que aparezcan los rebordeos al impactar el flujo de aire en los bordes de la entrada, y en el segundo que se muestra en la Figura 4.7 se estudia el mismo caso sin estos bloques de corrección de bordes. Resultados Preliminares CFD 48 De esta forma, en la Tabla 4.2, se muestran los datos de la comparación de ambas geometrías a la velocidad mínima y máxima con la que se ha trabajado en los estudios posteriores. Estas velocidades han sido a la capacidad del 10% de los ventiladores, que es la velocidad mínima a la que se obtuvieron resultados experimentales y a una velocidad de 27 m/s en la cámara de pruebas que es la velocidad a la que se obtuvieron los datos que ya se tenían antes de la realización de este TFG. Cabe destacar que los efectos de rebordeo no son significativos observando los datos obtenidos entre ambos casos. Tabla 4-2. Datos Recta Regresión Velocidad Mínima CFD Sin Bloque (m/s) CFD Bloque (m/s) Altura (m) Lugar 5.88 5.38 1.7 CP Centro 6.34 6.18 1.4 6.34 6.18 0.9 6.36 6.20 0.2 1.65 1.59 1.42 Malla Centro 1.66 1.61 1.15 1.67 1.61 0.8 1.67 1.62 0.2 4.19 4.11 1.7 Puerta Centro 4.97 4.75 1.4 5.05 4.89 0.9 5.07 4.94 0.2 1.47 1.21 1.42 Malla Pared 1.46 1.23 1.15 1.48 1.27 0.8 1.5 1.5 0.2 49 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 4-8. Comparación Velocidad Mínima Figura 4-9. Perfil de velocidades Velocidad Minima y = 0,9786x - 0,0796 R² = 0,9972 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Velocidad con corrección entrada (m/s) Velocidad sin corrección entrada (m/s) Velocidad 10% Resultados Preliminares CFD 50 Figura 4-10. Gráfica Residuos Velocidad Minima Tabla 4-3. Datos Recta Regresión Velocidad Máxima CFD Sin Bloque (m/s) CFD Bloque (m/s) Distancia X (m) 7,66 6.94 -11,6 6,82 6.46 -10,6 6,94 6.74 -9,7 7,38 7.19 -9,1 8,04 7.83 -8,5 9,17 8.93 -7,9 10,6 10.33 -7,3 12,43 12.18 -6,7 14,53 14.56 -6,1 17 16.81 -5,5 51 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI 20,38 19.76 -4,9 22,81 22.09 -4,3 24,69 23.91 -3,7 25,78 24.91 -3,1 25,62 25.05 -2,5 25,83 25.18 0 25,52 24.91 2,5 7,66 7.64 8,83 Figura 4-11. Comparación Velocidad Máxima y = 0,9752x - 0,0284 R² = 0,9993 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Velocidad con corrección entrada (m/s) Velocidad sin corrección entrada (m/s) Datos aportados a 27 m/s Resultados Preliminares CFD 58 5 RESULTADOS CFD n este capítulo se presentan los resultados obtenidos con el programa STAR-CCM+, es decir, los resultados conseguidos mediante un estudio CFD. En primer lugar, se mostrarán y se analizarán los resultados para los casos ya presentados en el capitulo anterior y posteriormente se mostrarán los que se han conseguido analizar con respecto a los motores, tanto en términos de CFD como los problemas que han surgido con ello. 5.1 Resultados al 10% de la potencia de los ventiladores En este punto se van a presentar todas las imágenes obtenidas a través de CFD para el caso de funcionamiento del 10% de los ventiladores, se procederá a explicar que representa cada una de ellas y las conclusiones que se pueden sacar de los resultados. Figura 5-1. Perfil de velocidades 10% Mitad del tunel Así, en esta Figura 5.1 se muestra el perfil de velocidades obtenido justo en la mitad del túnel. Como puede observarse, hasta el difusor la simulación arroja los valores esperados, pero a partir de ahí los valores obtenidos son extraños ya que en el caso real no hay aire alrededor del túnel (tanto abajo como arriba), sino que simplemente va por dentro del él. Es por ello que las condiciones de contorno afectan al resultado que se obtiene a la salida. Como los valores experimentales se obtuvieron en la cámara de pruebas y a la entrada del túnel, no afecta este hecho salvo que quisiéramos modelar correctamente la salida del túnel, que en principio es la que menos interesa ya que el principal objetivo del TFG es caracterizar y mejorar la velocidad en la cámara de pruebas, que es donde se realizan todos los estudios. E Resultados CFD 60 Figura 5-2. Perfil de velocidades 10% Pared Asimismo, en la Figura 5.2 se representa el perfil de velocidades en una de las paredes del túnel. Se puede observar perfectamente como al llegar a los marcos de las puertas el flujo se frena, así como una pequeña disminución de la velocidad en el centro de la cámara que se explica a continuación. 61 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 5-3. Pequeños agujeros CATIA Figura 5-4. Perfil de velocidades en los agujeros Así, como se puede observar en la Figura 5.3, se dejaron en las paredes de la cámara de pruebas unos pequeños agujeros con la intención de poder ver lo que ocurriría si existiera una pequeña abertura dentro del túnel. Ello también sirvió como una forma de comprobar que la simulación trabaja bien cerca de las paredes. Como se comprueba en la Figura 5.4, se produce una disminución drástica de la velocidad en los agujeros, observándose la diferencia entre los pequeños agujeros, que tienen una incidencia mínima en comparación con el mayor, en el que se produce una estela de varios metros hasta que vuelve a recuperar la velocidad de la cámara. Resultados CFD 62 Figura 5-5. Perfil de velocidades 10% al 25% De esta forma, si se divide la mitad del túnel, considerando que la pared del túnel es el 0% y la mitad del túnel el 100%, la imagen que se representa en la Figura 5.5 se corresponde al 25% pudiéndose observar que la puerta aún afecta la velocidad, pero en menor medida. En la Figura 5.6 se muestra el plano con el que se han obtenido los resultados de la Figura 5.5 desde arriba en la cámara de pruebas y en la Figura 5.7 otro plano, esta vez perteneciente al 75%, cuyos resultados se muestran en la Figura 5.8. Figura 5-6. Plano al 25% 63 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 5-7. Plano al 75% Figura 5-8. Perfil de velocidades 10% al 75% Si se observa la imagen que corresponde con el 75% (Figura 5.8) y como era previsible, apenas hay diferencias con la mostrada justo en la mitad del túnel que se mostró en la Figura 5.1. Resultados CFD 64 Figura 5-9. Perfil de velocidades 10% Entrada Pared Por otra parte, en la Figura 5.9 se representa el perfil de velocidades que se obtienen cerca de la pared de la entrada del túnel. La línea blanca indica el corte del plano del perfil de velocidades con el túnel, por lo que a partir de ahí son valores que tienen poco interés ya que están por fuera del túnel de viento. Figura 5-10. Gráfica Residuos 10% Por último, en la Figura 5.10 se muestran los residuos que, como ya se ha comentado, indican si la simulación ha convergido, pudiéndose observar que la convergencia del modelo es muy aceptable dado que los valores de estos son muy pequeños. 65 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI 5.2 Resultados al 20% de la potencia de los ventiladores A partir de este apartado, se mostrarán en primer lugar los resultados a través de las Figuras desde la 5.11 hasta la 5.16 y tras ellos se realizarán las conclusiones pertinentes. Figura 5-11. Perfil de velocidades 20% Mitad del tunel Figura 5-12. Perfil de velocidades 20% Pared Resultados CFD 66 Figura 5-13. Perfil de velocidades 20% al 25% Figura 5-14. Perfil de velocidades 20% al 75% 67 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 5-15. Perfil de velocidades 20% Entrada Pared Figura 5-16. Gráfica Residuos 20% Resultados CFD 74 Figura 5-27. Gráfico Residuos Excel Era interesante observar si los resultados de este caso se parecían a los de los anteriores porque las velocidades características para esta experimentación son mayores que las de los tres casos anteriores (casi el triple de velocidad que la que se obtiene para la potencia de los ventiladores al 30%). Viendo los resultados se observa que sigue siendo muy similar a todos los casos estudiados mostrados anteriormente lo que implica que los resultados no cambiaran en gran medida por mucho que se aumente la velocidad de estudio dentro del túnel. 5.5 Modelización de los ventiladores En este apartado se expone todo lo relacionado con el estudio realizado con técnicas CFD referentes a los ventiladores. Tras el estudio de la geometría del túnel, el siguiente paso que se ha dado es el de caracterizar los motores, ya que son una pieza fundamental en el funcionamiento del túnel debido a que son los que generan el flujo de aire dentro del mismo. Por simplificación, se tratará el caso con un solo ventilador. En primer lugar, se va a describir las principales diferencias con respecto al estudio de la geometría del túnel ya presentado. La primera diferencia es la geometría que se implementa al STAR-CCM+, como puede observarse en la Figura 5.28. 75 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 5-28. Geometría ventilador a importar Como se puede ver en la figura, la geometría que se ha usado es un cilindro con las medidas del propio ventilador. Esto se hace así porque en el propio programa se pueden indicar todas las características del ventilador que se está usando únicamente con estos datos, por lo que otros elementos como las aspas solo harían más laborioso obtener la solución. Por tanto, para poder caracterizar el ventilador, se necesitan ciertos valores que el programa solicita. Todos estos valores se encuentran en el data sheet del propio ventilador que se puede encontrar en el Anexo C. Una forma de caracterizarlo es través de la curva característica del ventilador. Esta gráfica relaciona la presión con el caudal y cada tipo de ventilador tiene una que le representa. En la Tabla 5.1 se muestran datos de diferentes puntos de la gráfica del ventilador que aquí se está estudiando (ver Anexo C) que ha sido incorporada al STAR-CCM+ ya que el programa solicita esta curva característica de forma discreta (aunque existe otro método, se ha seleccionado el comentado anteriormente). En la primera columna se muestran los valores de la presión y en la segunda los de caudal. Resultados CFD 76 Tabla 5-1. Curva característica del ventilador Presión (Pa) Caudal (𝒎³ 𝒔) 0 14.16 100 13.05 200 12.08 300 10.69 400 8.88 500 6.38 600 3.47 700 2.22 Con respecto a operaciones u otra serie de acciones diferentes a las que se explicaron al comienzo del capítulo 4 de Resultados preliminares CFD, las más destacadas a la hora de modelizar el ventilador son la generación de una nueva región (el propio ventilador) donde se implementan los valores ya explicados o las revoluciones por minuto y siendo, además necesario un pequeño cambio en la creación de la malla que se muestra en las Figuras 5.29 y 5.30. Figura 5-29. Mallado de la estela 77 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Figura 5-30. Mallado completo Así, la principal diferencia respecto al mallado como se puede observar en la Figura 5.29, es que se ha mallado con más precisión justo detrás del ventilador para poder estudiar de la mejor forma posible la estela que genera el mismo. Ya explicadas todas las diferencias que existen en este nuevo caso de estudio, solo quedaría pasar a las soluciones que se obtienen. Se muestran los resultados alcanzados en las Figuras 5.31 y 5.32. Figura 5-31. Perfil de velocidades Ventilador 1 Resultados CFD 78 Figura 5-32. Perfil de velocidades Ventilador 2 En la Figura 5.31 se puede observar el perfil de velocidades en el plano central del ventilador, estando este dirigido hacia la izquierda, es decir, la corriente incidente proviene de la parte izquierda y la estela que genera el ventilador en la parte derecha. En la Figura 5.32 se muestra el perfil de velocidades en el cilindro que representa al ventilador, mostrándose en esta imagen la cara que da a la corriente incidente. Los resultados son simplemente ilustrativos por lo que se comenta a continuación. Debido a problemas con la convergencia del problema, no se ha podido llegar a una solución útil de este estudio. Se ha intentado con numerosos métodos (cambios en las condiciones del problema, en los modelos utilizados, en la forma de generar y modificar las condiciones de contorno,etc) poder llegar a una solución, pero se ha sido incapaz de lograrlo, de hecho, en la Figura 5.33 se observa la gráfica de residuos para la solución mostrada anteriormente y como se puede ver algunos residuos siguen siendo muy altos como para considerarlos aceptables. Figura 5-33. Gráfico residuos ventilador Por ello, queda pendiente este estudio de ser completamente resuelto y como se comentará más adelante, debería ser el primer paso para proceder a continuar en este proyecto. 79 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Conclusiones y Trabajos futuros 80 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS n este último capítulo, a través de los resultados expuestos en los distintos capítulos del presente TFG, y en función de los objetivos del mismo se pueden sacar las siguientes conclusiones generales. - Se ha obtenido un modelo unificado con todas las piezas que componen el túnel de viento de la ETSI de Sevilla mediante modelización por CATIA, habiéndose contribuido en este TFG a la incorporación en el modelo de elementos que faltaban para su aplicación en su modelización mediante CFD. - Se ha modelado con la geometría del túnel real y los ventiladores, la fluidodinámica de la corriente de aire mediante CFD, habiéndose contrastado con medidas experimentales que los perfiles de velocidades que se obtienen con la modelización en comparación con dichas medidas experimentales son muy satisfactorios. - Se ha comprobado con CFD que los efectos de rebordeo a la entrada del túnel no influye en los perfiles de velocidades del túnel de viento. Por todo lo anterior, se puede concluir que los resultados obtenidos en este TFG pueden considerarse una primera contribución mediante técnicas CFD al conocimiento del funcionamiento del túnel de viento de la ETSI de Sevilla, quedando fuera del alcance del mismo una mejor caracterización del túnel, que se presenta como trabajos futuros, tales como: - Analizar y profundizar en un estudio de modelización y caracterización conjunto del túnel con los ventiladores en CFD por su importancia en la generación del flujo de aire, ya que todos los resultados presentados en este TFG se han obtenido imponiendo un flujo de aire a la entrada del túnel, y no se tiene en cuenta el funcionamiento real que implica un efecto de succión para generar este flujo. - Desarrollar un diseño de medidas experimentales más exhaustivo con objeto de evitar sesgos asociados al método y aparato usados en la adquisición de los datos y poder contrastar los datos del modelo con los datos experimentales con técnicas estadísticas que validen la modelización con mayor rigor. - Analizar los resultados que se pueden obtener experimentalmente y mediante modelización aumentado la velocidad en la cámara de pruebas. Figura 6-1. Vista panorámica Túnel de Viento de la ETSI E 81 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI Anexos 82 7 ANEXOS n este apartado se muestran diferentes documentos o datos que se han utilizado para la realización de este proyecto. 7.1 Anexo A: Tabla Parámetros CFD Se muestra en la Tabla 7.A todos los valores que se han necesitado para la modelización de los estudios en CFD del trabajo. Tras ella se procederá a explicar que significa cada una de las partes que la componen. Por comodidad se utilizán los términos en inglés. Tabla 7-A. Parámetros CFD Surface Wrapper Modificación Valor Default Controls Base Size 0.05 m Target Surface Size 100% Minimum Surface Size 10% Custom Controls Target Surface Size 100% Minimum Surface Size 10% Automated Mesh Modificación Valor Default Controls Base Size 0.1 m Target Surface Size 100% Minimum Surface Size 10% Prism Layer Total Thickness 0.05m Custom Controls Target Surface Size 0.05m Como se puede observar, en la Tabla 7.A se muestra la operación de la que estamos tratando (“Surface Wrapper” o “Automated Mesh”) y si dentro de esa operación se encuentra en los ajustes por defecto (los que se aplican a todo el conjunto que se haya seleccionado) o ajustes personalizados (en el que se trata de la estructura del túnel ya que STAR-CCM+ permite afinar en ciertas zonas de la geometría según las preferencias buscadas). En la segunda columna se muestra qué apartado se está modificando y, en la tercera columna, el valor que se ha utilizado. La operación restante es la del “Block”, en la que se crea un paralelepípedo que hace las veces de túnel de viento virtual. Sus medidas son 50x11x24.5m. E 83 Modelización, estudio y optimización del túnel de viento de la ETSI 7.2 Anexo B: Anemómetro Se muestra en las Figuras 7.B1 y 7.B2 el manual de instrucciones del anemómetro usado en la obtención de los valores experimentales. [8] Figura 7-B1. Primera parte Manual de instrucciones anemómetro