Evaluación de la convergencia de simulaciones para el análisis del flujo en el interior de turbomáquinas

Abstract

La creciente demanda por conseguir diseños cada vez más eficaces en la totalidad de las aplicaciones de las turbomáquinas, conlleva la necesidad de un conocimiento más exhaustivo y preciso de los fenómenos fluidodinámicos que tienen lugar en su interior. En particular, una de las problemáticas actuales más importantes es la de conseguir máquinas cada vez más compactas y con mayores prestaciones aerodinámicas (turbojets, compresores, etc), lo que conlleva una mayor interacción entre álabes fijos y móviles en máquinas multietapa (típicamente en arquitecturas axiales). En este trabajo se pretende profundizar en los fenómenos típicos de interacción rotor-estator de una etapa, abordando el problema desde una óptica numérica, y más en concreto, proporcionando unas directrices para caracterizar correctamente el flujo no estacionario y turbulento propio de simulaciones tipo LES. La turbomáquina objetivo del estudio es un ventilador axial de una etapa donde se han analizado sus dos posibles configuraciones, rotor-estator y estator-rotor, para varias condiciones de operación: caudal nominal, carga parcial y condiciones cercanas al desprendimiento. Se ha empleado el código comercial FLUENT para llevar a cabo la simulación numérica en tres dimensiones del flujo turbulento no estacionario en el interior del ventilador. La resolución de la turbulencia se ha realizado mediante el empleo de técnicas LES (“Large Eddy Simulation”), las cuales muestran una descripción más precisa del flujo comparadas con otros esquemas alternativos como los métodos RANS (“Reynolds-Averaged Navier-Stokes”), siendo menos costosas computacionalmente que la simulación numérica directa (DNS). En este trabajo se ha realizado un completo análisis de la convergencia de éste tipo de técnicas, empleando para ello diversos procedimientos estadísticos, que permiten la distinción entre fenómenos deterministas, no estacionariedades y escalas turbulentas, lo que resulta esencial para comprender los mecanismos responsables de la transferencia de energía en el interior de la turbomáquina.