Verificación numérica del modelo de DFC del rodete Tokke para ser incorporado a un proceso de optimización

Abstract

Currently, the design trend of Francis impellers focuses on the use of computational optimization processes. Basically, an optimization process is an iterative and automatic task that uses different numerical tools to carry out the evaluation of the efficiency of different geometric designs. The optimization of a runner must guarantee the selection of a final design that provides the best interaction with the fluid. For its development, it is necessary to carry out four main stages: parameterization of the geometry to be optimized, verification and validation of the mathematical model, definition of the objective function and implementation of an optimization algorithm. Each stage deserves special development, however, the response stage of the computational model consumes the greatest amount of time in the process, due to the complexity of the numerical solution of Navier-Stokes 3D equations that describe the phenomenon and the density of mesh needed to define it. Thus, the present work will address the verification of the computational model of the Tokke runner, which minimizes computational resources and thus the response time. In order to achieve the objective, it was necessary to create a 3D multiblock computational domain, whose topology and subtopology allowed the generation and control of a structured mesh. For this, the automatic sequence of the 3D computational domain of the runner, its structured meshing and the necessary border types were programmed, in order to obtain five meshes with different densities. With these five meshes a mesh convergence study was performed and an error of 5.6% (compared to an infinite mesh) with the thickest mesh (229,432 control volumes) was obtained.

En la actualidad, la tendencia de diseño de rodetes Francis se centra en el empleo de procesos de optimización computacional. Básicamente, un proceso de optimización es una tarea iterativa y automática que, emplea diferentes herramientas numéricas para llevar a cabo la evaluación de la eficiencia de diferentes diseños geométricos. La optimización de un rodete debe garantizar la selección de un diseño final que brinde la mejor interacción con el fluido. Para su desarrollo, es necesaria la realización de cuatro etapas principales: parametrización de la geometría a optimizar, verificación y validación del modelo computacional, definición de la función objetivo y la implementación de un algoritmo de optimización. Cada etapa merece un desarrollo especial, sin embargo, la etapa de respuesta del modelo computacional, es la que consume la mayor cantidad de tiempo del proceso, esto debido a la complejidad de las ecuaciones 3D de Navier-Stokes que describen el fenómeno y a la densidad de malla necesaria para definirlo. Así, el presente trabajo abordará la verificación del modelo computacional del rodete Tokke, el cual minimice los recursos computacionales y así el tiempo de respuesta. Para lograr el objetivo, fue necesaria la creación de un dominio computacional 3D multibloques, cuya topología y subtopología permitiesen la generación y control de una malla estructurada. Para esto, se programó la secuencia automática del dominio computacional 3D del rodete, su mallado estructurado y los tipos de frontera necesarios, con el fin de obtener cinco mallas con diferentes densidades. Con estas cinco mallas se realizó un estudio de convergencia de malla y se obtuvo un error de 5.6% (respecto a una malla infinita) con la malla más gruesa (229,432 volúmenes de control).