Usando las simulaciones computacionales para mejorar el diseño de bombas

 

El diseño de cualquier maquinaria, requiere amplios conocimientos especializados, trabajo multidisciplinario, tiempo y dinero, por lo que es imperativo reducir los errores en el proceso de fabricación del mismo. En ese sentido los softwares de simulación en general y Ansys en particular, ofrecen una poderosa herramienta con la cual anticipar y evitar errores, de esa forma lograr un ahorro sustancial de tiempo y dinero.

 Como es bien sabido, las aplicaciones de Ansys en la industria son amplias y variadas, y son muy usadas en la simulación de componentes mecánicos o maquinas completas. En ese sentido, hay maquinas que, debido a la naturaleza de sus geometrías, o de las funciones que desempeñan, hacen que sean especialmente desafiantes el poder simularlas correctamente. Este es el caso de las turbomaquinarias, especialmente las bombas hidráulicas.

 Las bombas hidráulicas están presentes en prácticamente todos los aspectos de nuestras vidas, desde edificios residenciales hasta plantas industriales pasando por minas o plantas de tratamiento de agua potable, y si bien es cierto los principios teóricos y la tecnología necesaria para el desarrollo de estas se concluyeron en los años 60, gracias a los softwares de simulación las compañías fabricantes son capaces de seguir innovando en este terreno y lograr eficiencias elevadísimas, y nuevos diseños de manera continua.

 Es en este escenario en el cual Ansys se destaca, siendo el software de simulación líder a nivel mundial, ya que posee las herramientas necesarias para el desarrollo de cualquier proyecto de diseño, desde cálculos iniciales pasando por el mallado de alabes, hasta la configuración de los parámetros de funcionamiento, de lo cual se verá una introducción en este artículo.

 

Figura 1. Simulación de voluta e impeler con Ansys

Para el desarrollo de un proyecto de diseño de bombas, Ansys cuenta con los siguientes módulos:

Vista CPD

Esta es una herramienta que nos permite hacer diseños preliminares para el diseño de turbomaquinarias, el cual se centra en el impeler o impulsor y la voluta que lo envuelve, (en el presente articulo nos centraremos en el impulsor por ser el corazón de la bomba), fue desarrollado por PCA Engineers en el Reino Unido y ha sido validado por innumerables marcas de diseño de Engieres turbomaquinarias y fue finalmente adquirido por ANSYS.

El primer paso en Vista CPD es el diseño del impulsor, sus dimensiones y las condiciones del fluido a la salida del mismo, (con estos datos se inicia el diseño de la voluta), los datos obtenidos en este módulo pueden después ser exportados al módulo BladeGen donde el modelo 3D es levantado.

Figura 2. Interface de Vista CPD

Algunos de los parámetros a tener en cuenta son los siguientes: carga, caudal, velocidad de rotación, densidad del fluido, viscosidad y la altura neta positiva de aspiración (NPSH), que en las versiones mas modernas del modulo suelen ser suficientes para diseñar de forma rápida y preliminar una bomba; CDP también cuenta con configuraciones avanzadas para usuarios especializados e ingeniería de detalle.

       BladeGen

Una vez se han configurado los datos iniciales del diseño de la bomba, podemos exportar esta data hacia el módulo BladeGen, el cual usara esta data para generar un modelo 3D simétrico del impeler más la voluta

 

Figura 3. Interface del BladeGen

Como se puede apreciar en este modulo tenemos la interfaz geométrica levantada a partir de los datos ingresados en el módulo CPD. Con el BladeGen podemos apreciar todas las vistas posibles del impeler siendo las mas importantes la vista meridional, la vista auxiliar, la vista angular y la vista del espesor, la gran ventaja de este modulo es que se puede modificar directamente la geometría en cada una de las vistas, y los resultados serán inmediatamente visualizados en el modelo 3D en el lado izquierdo del módulo, así la herramienta otorga gran capacidad de control a los diseñadores en cuanto al diseño geométrico componente. Este componente también trabaja de forma paramétrica para obtener diseños optimizados.

Una vez el diseñador tiene la geometría optima para sus requerimientos se pasará al siguiente modulo.

 

Figura 4. Acoplamiento de BladeGen y TurboGrid

 

TurboGrid

Una de las características más notable de ANSYS son sus módulos de mallado, el cual esta entre los mejores disponibles actualmente, sin embargo, la geometría de las turbomaquinarias, especialmente los alabes, representan un desafío para los ingenieros y especialistas a la hora de mallarlos, esto debido a los bordes de los alabes de la bomba.

Los alabes de cualquier turbo maquinaria, son especialmente complejos de mallar esto debido a que requieren que la malla no solo se adapte en forma, si no también en tamaño, y si sumamos los efectos físicos del fluido que se desean observar sobre la geometría, siendo el mas importante los efectos causados por la capa limite, la complejidad crece sustancialmente. Este problema solía demandar largas horas de trabajo para los especialistas, siendo que toda buena simulación dependerá de la calidad del mallado que se tenga, así el mallado es el punto mas critico de toda simulación fluidodinámica y se debe ser especialmente cuidadoso en su configuración.

 

Figura 5. Mallado hecho con TurboGrid

Para solucionar este problema ANSYS posee el módulo TurboGrid, un mallador especialmente diseñado para aplicarse en todo tipo de turbo maquinarias, este módulo tiene la capacidad de generar mallas automáticamente para las geometrías obtenidas con el BladeGen, siendo su mayor ventaja que al estar interconectada con este último, cualquier error o alerta con respecto al acoplamiento de la malla a la geometría puede solucionarse rápidamente, TurboGrid también indica en que parte de la geometría se encuentra el problema, además de poseer características avanzadas para usuarios expertos.

Finalmente, una vez se haya obtenido la malla mas adecuada para la geometría deseada se procederá a usar el modulo CFX, para configurar las condiciones de operación, el fluido de trabajo y otras características de acuerdo a las necesidades de operación.

 

Figura 6. Acoplamiento TurboGrid con CFX

CFX

Uno de los principales módulos de ANSYS CFD es CFX, una herramienta especializada para la simulación de turbo maquinarias, de fácil configuración y gran capacidad de cálculo, este módulo es especialmente utilizado por los fabricantes de bombas, pues es el estándar industrial para el cálculo de parámetros de funcionamiento de bombas, compresores y ventiladores, habiendo sido valido también para turbinas hidráulicas y turbinas a gas de grandes dimensiones.

Entre sus capacidades más notables destacan su adaptabilidad, su biblioteca de materiales orientado a fluidos, así también permite configurar el modelo de turbulencia mas adecuado para los diversos contextos de aplicación de los dispositivos a simular.

CFX cuenta con la capacidad de poder configurar una turbomáquina de dos formas, para una rápida configuración, CFX cuenta con la opción TurboModel, el cual evalúa rápidamente la geometría mallada y reconoce automáticamente las componentes como la entra y salida, asigna una dirección de giro y permite rápidamente configurar, primero el tipo de turbo maquinaria, si es una bomba, un ventilador o una turbina, para luego configurar la velocidad de rotación (aquí se puede cambiar la dirección del giro para que este coincida con la dirección de los alabes). O una configuración manual que nos otorga mayor control sobre los parámetros de entrada y de salida de la bomba, en ambos casos tendremos que seleccionar algunas características extra como se explicara líneas más abajo.

 

Figura 7. Configuración manual

 Durante la configuración podemos elegir el tipo de fluido de trabajo y el modelo de turbulencia con el que se desea ejecutar la simulación, finalmente podremos configurar las condiciones frontera como el flujo masico o caudal que entra en la bomba u otro parámetro, así también la presión a la salida del mismo. En este punto también se puede definir el material del que estará hecho la bomba, este estará representado por la rugosidad en las paredes

Finalmente, luego de haber realizado este paso obtendremos una imagen como muestra la figura 8, donde se puede apreciar unas flechas negras en la parte superior, las cuales indican que por ahí donde ingresa el fluido de trabajo, mientras las flechas radiales que apuntan hacia afuera, indican las zonas por donde sale el fluido.

 

Figura 8. Finalización de la configuración del impulsor de una bomba

Luego de este paso solo queda solucionar el modelo y obtener los resultados para su interpretación, en nuestro caso buscamos obtener los perfiles de presión y velocidad del fluido, esto para verificar que nuestros parámetros de diseño son los correctos y la bomba en general y el impulso en particular, no sufran daño debido a la cavitación.

CFX nos permite también definir una gran cantidad de parámetros propios, desde configurar puntos de control dentro de la geometría, hasta obtener el torque al cual el impulsor se encuentra funcionando

Como se ha podido apreciar, es posible facilitar, y optimizar el proceso de diseño de una bomba o de sus componentes, con la ayuda de ANSYS, siendo una gran ayuda al momento de enfrentarnos a este tipo de desafíos pues el ahorro de costos y tiempo es una gran ventaja competitiva para cualquier industria. Gracias a estas capacidades ANSYS CFD se ha logrado posicionar como el software líder en la industria de manufacturas de turbo maquinarias de todo tipo siendo su manejo e implementación indispensable para cualquier empresa o profesional que desee lograr un lugar en esta industria.