Modelado computacional de una turbina hidrocinética de eje vertical a bajos números de Reynolds utilizando malla sobrepuesta y el método de volumen de fluido

Abstract

La instalación de turbinas hidrocinéticas de eje vertical (en inglés, Vertical Axis Hydrokinetic Turbines (VAHTs)) en entornos fluviales de baja profundidad plantea desafíos importantes debido a la interacción con la superficie libre, la cual influye en el desempeño de la turbina y en la recuperación de la estela. Este estudio presenta una metodología computacional que combina el uso de mallas sobrepuestas (en inglés, Overset Mesh (OM)) y el método de volumen de fluido (en inglés, Volume of Fluid (VOF)), implementada en OpenFOAM, con el objetivo de analizar el desempeño de turbinas bajo distintas profundidades de inmersión. Se realizaron simulaciones bidimensionales y tridimensionales, resolviendo las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes para flujos transitorios (en inglés, Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations (URANS)) con el modelo de turbulencia k-ω SST. Los resultados muestran que el modelo implementado reproduce adecuadamente el desempeño de la turbina, con un error relativo de 17.1% en el coeficiente de potencia promedio para el caso bidimensional. Por su parte, las simulaciones tridimensionales presentaron una mejor concordancia con los datos experimentales, alcanzando un error cuadrático medio (en inglés, Root Mean Square Error (RMSE)) de 0.1607 en la predicción del déficit de velocidad en la estela. Se observó que la proximidad a la superficie libre retrasa significativamente la recuperación del flujo, incluso en casos con deformación mínima de la interfaz. Sin embargo, se estableció que la representación explícita de la superficie libre no es necesaria cuando la inmersión supera el 50% de la altura del rotor, lo que permite reducir la complejidad computacional sin comprometer la precisión del modelo. La metodología implementada busca fortalecer la capacidad predictiva de modelos de dinámica de fluidos computacional (en inglés, Computational Fluid Dynamics (CFD)) aplicados al diseño de soluciones energéticas sostenibles, facilitando una mayor adopción de VAHTs en regiones remotas y no interconectadas de países en desarrollo. (Texto tomado de la fuente).

The deployment of vertical-axis hydrokinetic turbines (VAHTs) in shallow riverine environments presents significant challenges due to the interaction with the free surface, which affects the turbine’s performance and the recovery of the wake. This study presents a computational methodology that combines the use of overset meshes (OM) and the volume of fluid method (VOF), implemented in OpenFOAM, with the aim of analyzing the performance of turbines under different immersion depths. Two-dimensional and three-dimensional simulations were carried out by solving the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations (URANS) with the k-ω SST turbulence model. The results show that the implemented model adequately reproduces the performance of the turbine, with a relative error of 17.1% in the mean power coefficient for the two-dimensional case. In turn, the three-dimensional simulations showed better agreement with the experimental data, achieving a root-mean-square error (RMSE) of 0.1607 in the prediction of the velocity deficit in the wake. It was observed that proximity to the free surface significantly delays flow recovery, even in cases with minimal interface deformation. However, it was established that explicit representation of the free surface is not necessary when the immersion exceeds 50% of the rotor height, which allows reducing computational complexity without compromising model accuracy. The implemented methodology aims to strengthen the predictive capabilities of computational fluid dynamics models (CFD) applied to the design of sustainable energy solutions, facilitating greater adoption of VAHTs in remote and off-grid regions of developing countries.