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Análisis CFD de una bomba centrífuga industrial

dc.contributor.advisorRodríguez Pichardo, Catalina Maríaspa
dc.contributor.advisorRoa Prada, Sebastiánspa
dc.contributor.authorMartínez Vesga, Alberto Andrésspa
dc.date.accessioned2020-06-26T19:45:10Z
dc.date.available2020-06-26T19:45:10Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.12749/1519
dc.description.abstractEl rendimiento de las bombas centrífugas a menudo no es predecible bajo ecuaciones analíticas debido al flujo complejo a través de la geometría, por lo que es necesario recurrir a diferentes técnicas como el análisis numérico. Esta investigación presenta una serie de simulaciones de una bomba centrífuga industrial (Pedrollo CP 620) en la que se obtuvo su curva de flujo frente a cabeza y se comparó con el rendimiento esperado dado por el fabricante, además de esto, se realizaron cambios en las condiciones de operación y los parámetros de geometría y fueron evaluados. Estas simulaciones se llevaron a cabo utilizando el programa comercial COMSOL Multiphysics®. Se eligió el modelo de turbulencia k-ε para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes con la metodología del rotor congelado. Se obtuvieron campos de presión y velocidad y se analizaron puntos críticos. Finalmente, se desarrolló una aproximación experimental donde se demuestra la viabilidad del uso de herramientas de análisis numéricos para predecir el desempeño de estos dispositivos bajo diferentes condiciones.spa
dc.description.tableofcontentsINTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1 1. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 3 1.1. COMPONENTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA .................................. 3 1.1.1. RODETE O IMPULSOR ....................................................................... 4 1.1.1.1. IMPULSOR ABIERTO ................................................................... 4 1.1.1.2. IMPULSOR CERRADO ................................................................. 4 1.1.2. VOLUTA O CARCASA ........................................................................ 5 1.1.2.1. VOLUTA CON CORONA DIRECTRIZ .......................................... 6 1.2. ANÁLISIS MATEMÁTICO POR ECUACION DE TURBOMAQUINARIA .. 6 1.2.1. ECUACIÓN DE EULER ....................................................................... 6 1.2.2. TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES, ALTURA Y CURVA CARACTERÍSTICA .......................................................................................... 7 1.3. CFD (DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL) ................................ 10 1.3.1. PRE-PROCESAMIENTO ................................................................... 10 1.3.2. PROCESAMIENTO ............................................................................ 11 1.3.3. POST-PROCESAMIENTO ................................................................. 11 1.4. ANÁLISIS DE FLUJO TURBULENTO ....................................................... 12 1.4.1. Ecuación de Navier-Stokes ............................................................. 14 1.4.2. MODELOS DE TURBULENCIA ........................................................ 14 1.4.2.1. DIRECT NUMERICAL SIMULATION (DNS) .................................. 14 1.4.2.2. LARGE EDDY SIMULATION (LES) ............................................... 15 1.4.2.3. MODELOS RANS ........................................................................... 15 1.4.2.3.1. MODELOS DE PRIMER ORDEN ................................................ 16 1.4.2.3.2. MODELO κ-ε ............................................................................... 17 1.4.3. ESTUDIO DE ROTOR CONGELADO ............................................... 18 2. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 19 3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 21 4. ANTECEDENTES .......................................................................................... 22 5. OBJETIVOS ................................................................................................... 23 2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 23 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 23 6. METODOLOGÍA ............................................................................................. 24 6.1. PLAN DE PRUEBAS .................................................................................. 24 6.1.1. VARIACIÓN DE PARÁMETROS ............................................................. 26 7. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO CAD ......................................................... 27 7.1. CONSTRUCCIÓN DEL RODETE ............................................................... 27 7.1.1. DISEÑO DEL ÁLABE ............................................................................... 27 7.1.2. MATRIZ CIRCULAR................................................................................. 28 7.1.3. IMPORTACIÓN DE LAS COORDENADAS DE LOS ÁLABES A COMSOL ............................................................................................................... 29 7.1.4. EXTRUSIÓN DEL CROQUIS ................................................................... 31 7.2. CONSTRUCCIÓN DE LA VOLUTA............................................................ 33 7.2.1. CROQUIS DEL VOLUMEN Y REVOLUCIÓN .......................................... 33 7.2.2. EXPULSIÓN DE AGUA ............................................................................ 34 7.3. ENSAMBLE DE LAS PIEZAS .................................................................... 35 8. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA CFD ............................................... 37 8.1. PLANTEAMIENTO DE PARAMETROS Y VARIABLES DEL SISTEMA ... 37 8.1.1. PARÁMETROS ........................................................................................ 37 8.1.2. Variables .................................................................................................. 38 8.2. SELECCIÓN DE LA FISICA, MODELO DE TURBULENCIA Y METODO DE ANÁLISIS ........................................................................................................ 38 8.2.1. SELECCIÓN DE LA FÍSICA Y MODELO DE TURBULENCIA ................ 38 8.2.2. MÉTODO DE ANÁLISIS Y BARRIDO PARAMÉTRICO .......................... 39 8.3. SELECCIÓN DE RESTRICCIONES DEL SISTEMA Y CONDICIONES DE CONTORNO .......................................................................................................... 39 8.3.1. CONDICIÓN DE PARED .......................................................................... 39 8.3.2. CONDICIONES DE ENTRADA Y SALIDA DEL SISTEMA ..................... 40 8.3.3. CONTINUIDAD DE FLUJO ...................................................................... 42 8.4. CREACIÓN DEL MALLADO Y AJUSTES DEL RESOLVEDOR NUMÉRICO. .......................................................................................................... 43 8.4.1. MALLADO INICIAL .................................................................................. 43 8.4.2. AJUSTES DEL SOLUCIONADOR NUMÉRICO ...................................... 45 8.4.2.1. PASOS SEGREGADOS ....................................................................... 45 8.4.2.2. BARRIDO PARAMÉTRICO .................................................................. 45 8.5. ANÁLISIS DE CONVERGENCIA Y REFINAMIENTO DEL MALLADO ..... 45 8.5.1. CAMPO DE VELOCIDAD ........................................................................ 46 8.5.2. CAMPO DE PRESIÓN ............................................................................. 48 8.5.3. CURVA DE DESEMPEÑO DE LA BOMBA ............................................. 49 8.5.4. REFINAMIENTO DE LA MALLA ............................................................. 51 8.5.4.1. MALLA 2 ............................................................................................... 51 8.5.4.1.1. ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA DE MALLA .................................. 52 8.5.4.2. MALLA 3 ............................................................................................... 53 8.5.4.2.1. ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA DE MALLA .................................. 55 9. EXPERIMENTACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO.................................. 58 9.1. PRUEBAS A CONDICIONES ESTÁNDAR ................................................ 63 9.2. VARIACIÓN DE TEMPERATURA DEL FLUDO ........................................ 65 9.2.1. SIMULACIÓN CFD ................................................................................... 65 9.2.2. CONSTRUCCIÓN CURVA EXPERIMENTAL .......................................... 69 9.2.3. COMPARACIÓN DE LAS CURVAS BAJO DIFERENTES METODOLOGÍAS ................................................................................................. 70 9.3. VARIACIÓN EN EL DIÁMETRO DEL RODETE ........................................ 71 9.3.1. ESTIMACIÓN TEÓRICA .......................................................................... 71 9.3.2. SIMULACIÓN CFD ................................................................................... 73 9.3.3. CONSTRUCCIÓN CURVA EXPERIMENTAL .......................................... 74 9.3.4. COMPARACIÓN DE LAS CURVAS BAJO DIFERENTES METODOLOGÍAS ................................................................................................. 76 10. OPTIMIZACIÓN DE LA GEOMETRÍA ........................................................ 77 10.1. MODIFICACIÓN DEL NÚMERO DE ÁLABES ........................................ 77 10.2. MODIFICACIÓN DEL ÁNGULO DE SALIDA DE LOS ÁLABES ............ 79 10.3. MODIFICACIÓN DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA VOLUTA ........... 80 11. CONCLUSIONES ....................................................................................... 81 12. RECOMENDACIONES ............................................................................... 82 13. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 83spa
dc.format.mimetypeapplication/pdfspa
dc.language.isospaspa
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/*
dc.titleAnálisis CFD de una bomba centrífuga industrialspa
dc.title.translatedCFD analysis of an industrial centrifugal pumpeng
dc.degree.nameIngeniero Mecatrónicospa
dc.coverageBucaramanga (Colombia)spa
dc.publisher.grantorUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABspa
dc.rights.localAbierto (Texto Completo)spa
dc.publisher.facultyFacultad Ingenieríaspa
dc.publisher.programPregrado Ingeniería Mecatrónicaspa
dc.description.degreelevelPregradospa
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis
dc.type.localTrabajo de Gradospa
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
dc.subject.keywordsMechatronic Engineeringeng
dc.subject.keywordsPhysical engineeringeng
dc.subject.keywordsCOMSOL Multiphysics (Computer Program)eng
dc.subject.keywordsCentrifugal pumpseng
dc.subject.keywordsPumps (Machines)eng
dc.subject.keywordsMathematical modelseng
dc.subject.keywordsInvestigationseng
dc.subject.keywordsAnalysiseng
dc.subject.keywordsAnalysis of a centrifugaleng
dc.subject.keywordsCFDeng
dc.subject.keywordsPumpeng
dc.identifier.instnameinstname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABspa
dc.identifier.reponamereponame:Repositorio Institucional UNABspa
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dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccessspa
dc.rights.accessrightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2spa
dc.relation.referencesMartínez Vesga, Alberto Andrés (2019). Análisis CFD una bomba centrífuga industrial. Bucaramanga (Colombia) : Universidad Autónoma de Bucaramanga UNABspa
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dc.contributor.cvlachttps://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000295523*
dc.contributor.googlescholarhttps://scholar.google.es/citations?hl=es&user=xXcp5HcAAAAJ*
dc.contributor.orcidhttps://orcid.org/0000-0002-1079-9798*
dc.contributor.scopushttps://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24333336800*
dc.contributor.researchgatehttps://www.researchgate.net/profile/Sebastian_Roa-Prada*
dc.subject.lembIngeniería mecatrónicaspa
dc.subject.lembIngeniería físicaspa
dc.subject.lembCOMSOL Multiphysics (Programa para computador)spa
dc.subject.lembBombas centrífugasspa
dc.subject.lembBombas (Máquinas)spa
dc.subject.lembModelos matemáticosspa
dc.subject.lembInvestigacionesspa
dc.subject.lembAnálisisspa
dc.description.abstractenglishThe performance of centrifugal pumps is often non-predictable under analytical equations due to the complex flow through the geometry so it is necessary to draw on different techniques like numerical analysis. This research presents a series of simulations of an industrial centrifugal pump (Pedrollo CP 620) where its Head vs Flow curve was obtained and compared to the expected performance given by the manufacturer, in addition to this, changes on the operation conditions and geometry parameters were made and evaluated. These simulations were carried out using COMSOL Multiphysics®, k-ε turbulence model was chosen to solve the Navier-Stokes equations with the frozen rotor methodology; pressure and velocity field were obtained and critical points analyzed. Finally, an experimental approach was developed where is demonstrated the viability of the use of numerical analysis tools to predict de performance of these devices under different conditions.eng
dc.subject.proposalBomba centrífugaspa
dc.subject.proposalCFDspa
dc.subject.proposalCurva característicaspa
dc.subject.proposalCOMSOLspa
dc.type.redcolhttp://purl.org/redcol/resource_type/TP
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