Modelación termodinámica de fluidos multifásicos aplicación en dispositivos de conversión de energía térmica oceánica
La Energía por Gradiente Térmico Oceánico (OTEC, por sus siglas en inglés) es una técnica para extraer energía renovable utilizando la diferencia de temperatura que existe entre las capas del océano para operar una turbina. La baja eficiencia de los sistemas OTEC resulta en la necesidad de grandes instalaciones, las cuales utilizan grandes cantidades de agua del mar con diferentes temperaturas y concentraciones de nutrientes. Numerosos autores coinciden en que la descarga de agua por parte de plantas pequeñas (≤ 1 𝑀𝑊) en tierra es ambientalmente aceptable a una profundidad de 60 m. Sin embargo, dado a los grandes gastos descargados por una planta comercial (≥ 100 𝑀𝑊), un estudio extensivo de impacto ambiental es necesario. Herramientas de la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés), acopladas con un modelo de ecosistema trófico, puede proveer información valiosa al simular las vecindades de la pluma de descarga, su dilución y trayectoria dentro de las condiciones complejas de las aguas costeras. Este trabajo consiste en el desarrollo, validación e implementación de una herramienta numérica de CFD dentro de OpenFOAM, adecuada para simular la descarga de agua de las plantas OTEC. El solver generado es capaz de manejar fluido multifásico con las siguientes características: tres fases fluidas con diferentes densidades y temperaturas, i.e., dos de las fases son líquidas y mezclables, y la tercera representa el aire; por lo tanto, existe una condición de superficie libre. La habilidad de simular la generación y absorción del oleaje también se introdujo en el solver. Las ecuaciones de gobierno implementadas se pueden resumir como: ecuación de conservación de la cantidad de movimiento, ecuación de conservación de la masa, ecuación de conservación de las cantidades escalares, ecuación de la fracción de volumen y la ecuación de conservación de la energía en términos del campo de temperatura. Un caso experimental representativo que consiste en un caso de rotura de dique (dam-break) fue construido y simulado numéricamente para realizar la validación del solver desarrollado. El caso de prueba incluyó dos fluidos con diferente temperatura, densidad y carga hidráulica en una condición de superficie libre. El modelo experimental se instrumentó con diez termistores para medir las variaciones de la temperatura, las cuales fueron comparadas con las series de temperatura obtenidas en los resultados de la simulación numérica con sensores distribuidos análogamente. El proceso de validación se usó para estimar la precisión de la distribución del campo de temperatura y, por lo tanto, la implementación de la ecuación de la energía en OpenFoam®. Tres modelos de turbulencia fueron evaluados para este propósito: el modelo RANS (ReynoldsAveraged Navier-Stokes, por sus siglas en inglés) de turbulencia de cero ecuaciones, el modelo RANS de dos ecuaciones (k-omega), y el modelo de Simulación de Grandes Remolinos (LES, pos sus siglas en inglés). Independientemente de los resultados de los diferentes modelos de turbulencia, ninguno de ellos exhibe un error promedio mayor al 17 %. Por lo tanto, los análisis de validación prueban un desempeño adecuado del modelo numérico, así como la correcta implementación de la ecuación de la energía, en términos del campo de temperatura. Finalmente, un caso demostrativo es presentado para mostrar la aplicabilidad del modelo a la descarga de agua de las plantas OTEC.
| Main Authors: | , , , , , |
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| Format: | Texto biblioteca |
| Language: | spa |
| Published: |
Ciudad de México, México Universidad Nacional Autónoma de México. Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería. Ingeniería Civil-Hidráulica
2020
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| Subjects: | Fuentes de energía renovable, Mecánica de fluidos computacional, Energía por gradiente térmico oceánico, Lixiviados de descarga, |
| Online Access: | https://cemieoceano.mx/Tesis/bitacoras.php?idminuta=153 |
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| Summary: | La Energía por Gradiente Térmico Oceánico (OTEC, por sus siglas en inglés) es una técnica para extraer energía renovable utilizando la diferencia de temperatura que existe entre las capas del océano para operar una turbina. La baja eficiencia de los sistemas OTEC resulta en la necesidad de grandes instalaciones, las cuales utilizan grandes cantidades de agua del mar con diferentes temperaturas y concentraciones de nutrientes. Numerosos autores coinciden en que la descarga de agua por parte de plantas pequeñas (≤ 1 𝑀𝑊) en tierra es ambientalmente aceptable a una profundidad de 60 m. Sin embargo, dado a los grandes gastos descargados por una planta comercial (≥ 100 𝑀𝑊), un estudio extensivo de impacto ambiental es necesario. Herramientas de la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés), acopladas con un modelo de ecosistema trófico, puede proveer información valiosa al simular las vecindades de la pluma de descarga, su dilución y trayectoria dentro de las condiciones complejas de las aguas costeras. Este trabajo consiste en el desarrollo, validación e implementación de una herramienta numérica de CFD dentro de OpenFOAM, adecuada para simular la descarga de agua de las plantas OTEC. El solver generado es capaz de manejar fluido multifásico con las siguientes características: tres fases fluidas con diferentes densidades y temperaturas, i.e., dos de las fases son líquidas y mezclables, y la tercera representa el aire; por lo tanto, existe una condición de superficie libre. La habilidad de simular la generación y absorción del oleaje también se introdujo en el solver. Las ecuaciones de gobierno implementadas se pueden resumir como: ecuación de conservación de la cantidad de movimiento, ecuación de conservación de la masa, ecuación de conservación de las cantidades escalares, ecuación de la fracción de volumen y la ecuación de conservación de la energía en términos del campo de temperatura. Un caso experimental representativo que consiste en un caso de rotura de dique (dam-break) fue construido y simulado numéricamente para realizar la validación del solver desarrollado. El caso de prueba incluyó dos fluidos con diferente temperatura, densidad y carga hidráulica en una condición de superficie libre. El modelo experimental se instrumentó con diez termistores para medir las variaciones de la temperatura, las cuales fueron comparadas con las series de temperatura obtenidas en los resultados de la simulación numérica con sensores distribuidos análogamente. El proceso de validación se usó para estimar la precisión de la distribución del campo de temperatura y, por lo tanto, la implementación de la ecuación de la energía en OpenFoam®. Tres modelos de turbulencia fueron evaluados para este propósito: el modelo RANS (ReynoldsAveraged Navier-Stokes, por sus siglas en inglés) de turbulencia de cero ecuaciones, el modelo RANS de dos ecuaciones (k-omega), y el modelo de Simulación de Grandes Remolinos (LES, pos sus siglas en inglés). Independientemente de los resultados de los diferentes modelos de turbulencia, ninguno de ellos exhibe un error promedio mayor al 17 %. Por lo tanto, los análisis de validación prueban un desempeño adecuado del modelo numérico, así como la correcta implementación de la ecuación de la energía, en términos del campo de temperatura. Finalmente, un caso demostrativo es presentado para mostrar la aplicabilidad del modelo a la descarga de agua de las plantas OTEC. |
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