Optimización de álabes para la generación de vórtices de punta de ala en canales y conductos

Abstract

Este proyecto trata sobre el estudio de vórtices de punta de ala, los cuales son flujos rotatorios turbulentos que giran en torno a un eje. Este fenómeno es consecuencia del rebordeo de la corriente en un ala, debido a la diferencia de presiones entre el intradós y el extradós. Aunque la generación de vórtices es un fenómeno claramente indeseado en el mundo de la aviación, en este proyecto se estudia su uso para diseñar dispositivos que permitan una mezcla eficiente y con poca pérdida de carga. El objetivo de dicho dispositivo es su aplicación en los biorreactores de cultivo de microalgas. En particular, se estudiarán tanto los grandes canales prismáticos y como los pequeños conductos cilíndricos. Para ello, en este proyecto se analizan los parámetros que afectan a la formación de vórtices, como pueden ser la cuerda, la envergadura, la curvatura máxima y su posición óptima, el ángulo de ataque y la configuración general del álabe, entre otros. Por lo tanto, el objetivo es caracterizar los vórtices para optimizar su eficiencia. Para llevar a cabo la caracterización de los vórtices, se hará uso de todas las ramas que competen al problema: desarrollos teóricos; simulaciones numéricas mediante CFD; ensayos experimentales; fabricación e instalación de los álabes en canales de cultivo de microalgas. No obstante, el principal foco del proyecto estará puesto en las simulaciones numéricas en fluent. Este Trabajo de Fin de Máster constituye una continuación de un conjunto de proyectos llevados a cabo previamente en colaboración con la empresa Drops & Bubbles Tecnología, S.L. y el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos.

This project deals about the study of wing tip vortices, which are turbulent rotating flows that revolve around an axis. This phenomenon appears as a consequence of the difference in pressures existing between intrados and extrados. Although the generation of vortices is clearly an undesirable phenomenon in the aviation field, this project is focused on using them to design devices that allow efficient mixing with low pressure loss. These devices have applications such as microalgae farming in bioreactors. In particular, both large prismatic channels and small cylindrical ducts will be studied. To this end, the current study will analyse the parameters that affect vortices, such as the chord, the wingspan, the maximum curvature and its optimum position, the angle of attack and its general configuration, among others. Therefore, the aim of this investigation is to characterize the vortices with the purpose of optimizing their efficiency. In order to carry out the vortices characterization, all relevant branches related with the problem will be studied: theoretical developments; numerical CFD simulations; experimental tests; manufacture and installation in a microalgae bioreactor. However, the project will mainly be focused on numerical simulations carried out using the fluent program. This Final Master's Project is a continuation of a set of studies previously carried out in collaboration with the company Drops & Bubbles Technology, S.L. and the Department of Aerospace Engineering and Fluid Mechanics.