Simulación Lagrangiana de la Erosión de Sedimentos en Turbinas Francis Usando una Herramienta Computacional en Python Acoplada con OpenFOAM
Autores: Narváez, Mateo; Guamán, Jeremy; Hidalgo, Víctor Hugo; Pérez-Sánchez, Modesto; Ramos, Helena M.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Simulación Lagrangiana de la Erosión de Sedimentos en Turbinas Francis Usando una Herramienta Computacional en Python Acoplada con OpenFOAM
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Erosión hidráulica
Ríos cargados de sedimentos
Turbinas Francis
Herramienta computacional
Precisión en la predicción de erosión
Tasas de erosión
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 31
Citaciones: Sin citaciones
La erosión hidráulica causada por sedimentos en suspensión es un mecanismo de degradación importante en las turbinas Francis de ríos cargados de sedimentos, especialmente en plantas hidroeléctricas andinas. Este estudio presenta una herramienta computacional basada en Python 3.9 que integra el modelo empírico de erosión de Oka dentro de un marco de seguimiento de partículas lagrangiano, acoplado a CFD de fase única en OpenFOAM 10. La novedad radica en un enfoque de dominio reducido que omite la carcasa espiral y replica su remolino inducido por partículas a través de un algoritmo personalizado, reduciendo la complejidad de la malla y el costo computacional, mientras se preserva la precisión en la predicción de la erosión. El método se aplicó a una turbina Francis a escala completa en la planta hidroeléctrica San Francisco en Ecuador (descarga nominal de 62.4 m/s, potencia nominal de 115 MW, velocidad de rotación de 34.27 rad/s), operando bajo cargas de sedimentos volcánicos y erosivos. Las tasas máximas de erosión alcanzaron ~1.2 x 10 mm/kg, concentrándose en los bordes de ataque de las palas del rodete y en los lados de presión de las palas guía. La cinemática de impacto mostró que la mayoría de las colisiones ocurrieron en ángulos casi normales (85 grados-98 grados, pico en 92 grados) y velocidades de 6-9 m/s, con raros impactos de 40 m/s que causaron más de 50 veces más pérdida que el promedio. El flujo de trabajo identifica zonas críticas de desgaste, apoya estrategias de rediseño y recubrimiento, y ofrece un marco transferible y de código abierto para la evaluación de la erosión en turbinas bajo diversas condiciones cargadas de sedimentos.
Descripción
La erosión hidráulica causada por sedimentos en suspensión es un mecanismo de degradación importante en las turbinas Francis de ríos cargados de sedimentos, especialmente en plantas hidroeléctricas andinas. Este estudio presenta una herramienta computacional basada en Python 3.9 que integra el modelo empírico de erosión de Oka dentro de un marco de seguimiento de partículas lagrangiano, acoplado a CFD de fase única en OpenFOAM 10. La novedad radica en un enfoque de dominio reducido que omite la carcasa espiral y replica su remolino inducido por partículas a través de un algoritmo personalizado, reduciendo la complejidad de la malla y el costo computacional, mientras se preserva la precisión en la predicción de la erosión. El método se aplicó a una turbina Francis a escala completa en la planta hidroeléctrica San Francisco en Ecuador (descarga nominal de 62.4 m/s, potencia nominal de 115 MW, velocidad de rotación de 34.27 rad/s), operando bajo cargas de sedimentos volcánicos y erosivos. Las tasas máximas de erosión alcanzaron ~1.2 x 10 mm/kg, concentrándose en los bordes de ataque de las palas del rodete y en los lados de presión de las palas guía. La cinemática de impacto mostró que la mayoría de las colisiones ocurrieron en ángulos casi normales (85 grados-98 grados, pico en 92 grados) y velocidades de 6-9 m/s, con raros impactos de 40 m/s que causaron más de 50 veces más pérdida que el promedio. El flujo de trabajo identifica zonas críticas de desgaste, apoya estrategias de rediseño y recubrimiento, y ofrece un marco transferible y de código abierto para la evaluación de la erosión en turbinas bajo diversas condiciones cargadas de sedimentos.