Puesto que el borde de ataque afecta directamente el comportamiento de la velocidad (su dirección, sentido y magnitud) en la entrada del impulsor una de las técnicas más usuales para analizar el comportamiento de la velocidad son las líneas de corriente. Una línea de corriente es una curva que, en todas partes, es tangente al vector velocidad local instantáneo. Las líneas de corriente son útiles como indicadores de la dirección instantánea del movimiento del fluido en todo el campo de flujo. En este estudio se analiza las líneas de corriente relativas es decir el código numérico de CFD de Fluent es capaz de calcular (y trazar) las líneas de corriente en un marco de referencia relativo en este caso al movimiento del impulsor.
Se analizaran solo tres flujos 90%,100% y 140% del Flujo de Diseño (0.0095
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m3 ), con el borde de ataque de John Tuzon ya que este desarrollaba un incremento de presión muy bajo al 140 % de flujo por lo que desarrollar la simulación a un flujo más grande resulta imposible mientras que por debajo del 90% de flujo este presentaba recirculaciones creando un flujo reversible en las fronteras haciendo que los residuales (continuidad, velocidad, k y ) se comporten en forma de una función senoidal y estos no convergan por lo que no se pudo realizar la simulación en estos puntos.
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A continuación se muestra la trayectoria de las líneas de corriente con su línea fluida las cuales son particularmente útiles para las situaciones en donde se va examinar la uniformidad de un flujo (o falta de ello). La línea fluida la genera automáticamente Fluent a través de un “pulso” empezando por la superficie de entrada. Solo se mostrara la línea fluida cuando pasa por el borde de ataque. Cabe destacar que el color para las líneas de corriente y línea fluida corresponde a la magnitud de la velocidad relativa.
Figura 4.1 Líneas de Corriente al 90% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque John Tuzon) La Figura 4.1 muestra las líneas de corriente al 90% del flujo de diseño como se puede observar al inicio del borde de ataque se crea una zona relativamente grande (del tamaño del borde de ataque) de estancamiento creando una zona de baja velocidad en el inicio del borde de ataque (zona 1 violeta sobre la línea de corriente).
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Una vez que ha pasado el flujo por el borde de ataque se puede observar una separación de flujo creando una velocidad alta terminando el borde de ataque y empezando el lado presión (Zona 2 azul) esta magnitud de velocidad relativa se conserva hasta llegar al lado succión del siguiente álabe (zona 3 azul). En cambio permanece una velocidad baja del lado presión del álabe (zona 4 violeta). Observando la última conclusión hay una separación de flujo temprana y por lo tanto pérdidas hidráulicas.
Figura 4.2 Líneas Fluidas al 90% de Flujo de Diseño (Borde de ataque John Tuzon)
En la Figura 4.2 se muestran las líneas fluidas entrando al impulsor, las cuales fueron “inyectadas” al mismo tiempo desde la superficie de entrada (1) por lo que estas van cambiando su velocidad mientras entran al impulsor. Como se puede observar las líneas fluidas muestran un patrón casi uniforme con una velocidad 10 a 11 m/s exceptuando cuando estas pasan por el borde de entada del lado presión del álabe las cuales tienen una mayor velocidad alrededor de 16.1 a 17 m/s de acuerdo al cuadro de colores.
A comparación de las líneas fluidas del lado succión las cuales son paralelas al lado succión en cambio las líneas fluidas del lado presión muestran un ángulo lo cual se debe a la forma del borde de entrada creando una separación y acelerando el flujo en esa zona.
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Figura 4.3 Líneas de Corriente al 100% de Flujo de Diseño (Borde de ataque John Tuzon)
De acuerdo a la Figura 4.3 se puede observar que la zona de estancamiento (zona 1) disminuyo en gran medida teniendo una velocidad relativa de 9.53 m/s. Siguiendo las líneas de corriente se puede observar que la zona 2 cubre una zona más grande, se podría decir que cubre la zona 2 y 3 de la Figura 4.1 teniendo una velocidad entre 18.1 y 19.1 m/s.
La zona 3 es una zona vacía a diferencia de la zona 4 de la Figura 4.1, es decir, en la Figura 4.1 en el borde de ataque sobre el lado presión se puede observar que la línea de corriente se despega del lado presión pero vuelve a regresar en cambio en la Figura 4.2 esta misma línea de corriente se separa y nunca vuelve a regresar al lado presión. Por lo que se puede suponer una recirculación de flujo grande esto se analizará más adelante.
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Figura 4.4 Líneas Fluidas al 100% de Flujo de Diseño (Borde de ataque John Tuzon)
La Figura 4.4 muestra las líneas fluidas al 100% de flujo en el instante que entran al impulsor como se observa la distribución de estas no es uniforme por lo que se podría deducir un perfil de velocidad no uniforme. Se observa que la velocidad de las líneas fluidas del lado presión tienen una velocidad relativa más alta siendo estas las primeras en entrar al impulsor. También por su dirección hay un cambio del ángulo de flujo.
Al igual que el caso a 90% del flujo las líneas fluidas del lado succión son paralelas al lado succión en cambio las líneas fluidas del lado presión muestran un ángulo lo cual se debe a la forma del borde de entrada creando una separación y acelerando el flujo en esa zona.
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Figura 4.5 Líneas de Corriente al 140% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque John Tuzon)
La Figura 4.5 muestra las líneas de corriente al 140% del flujo de diseño como se puede observar al inicio del borde de ataque se crea una zona grande de estancamiento mayor que los anteriores dos casos creando una zona de baja velocidad en el inicio del borde de ataque hasta llegar al inicio del lado succión (zona 1).
Se puede observar que la zona 2 tiene una velocidad relativa alta aproximadamente de 28 m/s y esta empieza desde el borde de entrada hasta llegar al lado succión del álabe siendo más consistente que los anteriores casos. La zona 3 tiene una velocidad relativa baja 14 m/s por lo que se puede suponer que el flujo esta entrando con un ángulo mayor que el del álabe.
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Figura 4.6 Líneas Fluidas al 140% de Flujo de Diseño (Borde de ataque John Tuzon) Las líneas fluidas de la Figura 4.6 corresponden al 140% de flujo en el instante que entran al impulsor como se observa la distribución de estas no es uniforme. Se observa que la velocidad de las líneas fluidas del lado presión tienen una velocidad relativa alta separándose de las demás siendo estas las primeras en entrar al impulsor. También por su dirección hay un cambio del ángulo de flujo. Al igual que el caso a 90% del flujo las líneas fluidas del lado succión son paralelas al lado succión en cambio las líneas fluidas del lado presión muestran un ángulo lo cual se debe a la forma del borde de entrada creando una separación y acelerando el flujo en esa zona.
Al igual que el borde de diseño de Jonh Tuzon con el borde de ataque corregido se analizaron tres flujos 90%,100% y 150% del Flujo de Diseño (0.0095 m3 s), pero a diferencia del borde de ataque de John Tuzon este desarrollaba un incremento de presión mayor por lo que se pudo simular al 150 % de flujo mientras que por debajo del 90% de flujo al igual que el anterior borde este presentaba recirculaciones creando un flujo reversible en las fronteras haciendo que los residuales se comporten en forma de una función senoidal y estos no convergan por lo que no se pudo realizar la simulación en estos puntos.
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Figura 4.7 Líneas de Corriente a 90% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido) La Figura 4.7 muestra las líneas de corriente para el 90% de flujo de diseño con el borde de ataque corregido como se puede observar el punto de estancamiento es de menor tamaño que el de la Figura 4.1. Se puede observar que el campo de velocidad en la entrada del impulsor es mas uniforme teniendo una zona de alta velocidad de menor tamaño (zona 2) en comparación con la zona 2 y 3 de la Figura 4.1. También se puede observar que la velocidad en la zona 2 es menor siendo esta de 16.8 m/s a comparación de la zona 2 y 3 de la Figura 4.1 cuya velocidad es de 17 m/s.
Figura 4.8 Líneas Fluidas 90% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido) 1
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La Figura 4.8 muestra las líneas fluidas justo en el instante cuando van entrar al impulsor. A comparación con la Figura 4.2 se puede observar que se presenta un campo más uniforme de velocidad puesto que casi todas las partículas o líneas fluidas entran al mismo tiempo. La velocidad relativa más alta se encuentra en el lado presión siendo esta alrededor de 16.8 m/s y las mas baja entre 15.2 y 13.5 m/s.
Figura 4.9 Líneas de Corriente a 100% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido)
La Figura 4.9 representa las líneas de corriente para el flujo de diseño. Se puede observar que la zona de estancamiento creció teniendo una velocidad a su alrededor de 8.55 y 9.5 m/s, sin embargo esta zona de estancamiento no es tan grande como el de la Figura 4.3.
La zona 2 muestra la zona de velocidad relativa más alta teniendo una velocidad entre 18 y 19 m/s, sin embargo la velocidad que esta fuera de esta zona es aproximadamente de 18 a 17 m/s por lo que es más uniforme el campo de flujo que le de la Figura 4.3.
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Figura 4.10 Líneas Fluídas a 100% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido) La Figura 4.10 muestra las líneas fluidas al flujo de diseño se puede observar que estas siguen un campo de velocidad uniforme aunque las líneas fluidas que están del lado presión del álabe ya empiezan a tener una mayor velocidad (de 18 a 19 m/s) entrando con un ángulo diferente del borde de ataque. Sin embargo este ángulo es mucho menor que el de la Figura 4.4.
Figura 4.11 Líneas de Corriente a 150% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido) 1
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La Figura 4.11 muestra las líneas de corriente al 150% del flujo de diseño como se puede observar al inicio del borde de ataque se crea una zona de estancamiento mayor que los anteriores dos casos creando una zona de baja velocidad en el inicio del borde de ataque hasta llegar al lado succión (zona 1). El campo de velocidad arriba lado presión tiene una velocidad de entre 2.75 y 29 m/s manteniéndose uniforme hasta llegar al lado succión del siguiente álabe exceptuando por las zonas 2 y 3 cuya magnitud de velocidad es de 30 m/s. La zona 2 muestra evidencias de que el flujo esta entrando con un ángulo mayor que el del álabe.
Figura 4.12 Líneas Fluidas a 150% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Corregido)
Las líneas fluidas de la Figura 4.12 a pesar de tener una mayor velocidad se pueden comparar con las líneas fluidas de la Figura 4.6 puesto que las dos están en el punto de comportamiento al 100% de flujo del impulsor. La Figura 4.12 representa el flujo al 150% de diseño, se observa que las líneas fluidas presentan un campo de flujo más uniforme que las líneas fluidas de la Figura 4.6. Las líneas fluidas al igual que la Figura 4.6 muestran un aumento de velocidad del lado presión del álabe siendo su velocidad alrededor de 30 m/s sin embargo el ángulo de flujo es menor teniendo un mejor comportamiento que el borde de ataque diseñado por John Tuzon.
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4.13 Líneas de Corriente al 80% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo)
La Figura 4.13 muestra las líneas de corriente al 80% de Flujo de Diseño con un borde de ataque redondo como se puede observar el campo de velocidad en la zona 1 tiene una velocidad baja (de 1.75 a 3.5 m/s) en comparación con todo el campo de velocidad esto es debido a que esta cerca la zona de estancamiento. Esta zona de estancamiento es mucho mayor que las anteriores zonas de estancamiento de los anteriores álabes sin embargo existe una uniformidad de velocidad en casi todo el campo de velocidad alrededor del álabe teniendo una velocidad de 9 a 12 m/s.
4.14 Líneas Fluidas al 80% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo) 1
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Se puede observar de la Figura 4.14 que el borde de ataque redondo tiene un mejor comportamiento puesto que las líneas fluidas siguen en forma paralela al borde de ataque del álabe por lo que se deduciría que el flujo sigue el ángulo de ataque del álabe. También las velocidades de cada línea fluida presentan una velocidad constante alrededor de 8.7 a 9.6 m/s. Se puede estimar por estas observaciones que el borde de ataque redondo presenta una mayor eficiencia con menores perdidas a este flujo.
4.15 Líneas de Corriente al 100% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo)
La Figura 4.15 muestra las líneas de corriente al 100% de Flujo de Diseño con un borde de ataque redondo como se observa el campo de velocidad en la zona 1 tiene una velocidad baja (de 3.78 a 4 .72 m/s) en comparación con todo el campo de velocidad esto es debido a que esta cerca la zona de estancamiento. Esta zona de estancamiento es menor que las anteriores zonas de estancamiento teniendo una uniformidad de velocidad en casi todo el campo de velocidad alrededor del álabe teniendo una velocidad de 16 a 18 m/s.
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4.16 Líneas Fluidas al 100% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo)
Las líneas fluidas del borde de ataque redondo de la Figura 4.16 muestran un mejor comportamiento al 100% de Flujo de Diseño (0.0095 m3 s) que los anteriores dos álabes (Borde de Ataque de Diseño y Corregido) puesto que la trayectoria de las líneas fluidas siguen la forma y el ángulo del borde de ataque. También se puede observar un campo de velocidad más uniforme.
4.17 Líneas de Corriente al 170% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo)
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Las líneas de corriente de la Figura 4.17 muestran una mejor trayectoria que las trayectorias de los bordes de ataque de diseño y corregido. Se aprecia una zona de baja velocidad mayor que el de las Figuras 4.13 y 4.15. La zona 1 tiene una velocidad 8.4 a 10 m/s siendo esta velocidad baja en comparación a todo el campo de flujo a su alrededor cubriendo parte del lado succión del álabe. La zona 2 es una zona de alta velocidad (de alrededor de 35 m/s) transmitiendo esta energía cinética hacia el lado succión del siguiente álabe por lo que se podría considerar que el flujo entra en un ángulo diferente al ángulo del álabe. Sin embargo se comporta el flujo en este borde de ataque de una manera mejor que los álabes de diseño y corregido.
4.18 Líneas Fluidas al 170% de Flujo de Diseño (Borde de Ataque Redondo)
Las líneas fluidas que se muestran en la Figura 4.18 son al 170% de flujo de diseño se observa que estas tienen un mejor comportamiento que las líneas fluidas de los dos anteriores bordes de ataque para el álabe puesto que su velocidad es más uniforme. Sin embargo, se puede observar que el flujo no es paralelo al álabe por lo que existe un ángulo entre los dos.
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