Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título entrega un análisis computacional de fluidos (CFD) sobre una turbina tipo Tesla, máquina que tiene como principal objetivo desarrollar potencia sobre el eje para diversos usos. Las razones principales que motivaron el desarrollo de este trabajo de título, fueron la necesidad de investigar sobre máquinas más económicas y eficientes (en determinadas aplicaciones) que las actuales. La Turbina Tesla, en vista que no posee álabes, sino que discos para transferir la energía al eje, la convierte en una de las máquinas más económicas en su campo, lo que llama la atención de los investigadores y genera la necesidad de conocer el comportamiento del equipo antes de su construcción, con respecto a su torque y rendimiento, siendo estos factores de suma importancia al momento de seleccionar un equipo para una determinada aplicación. Si bien es claro que el fluido de trabajo a utilizar es un factor muy importante para desarrollar el diseño y conocer el desempeño de la máquina, se ha decidido trabajar con un único fluido, el cual es aire. Lo anterior se debe a que es un fluido que puede ser considerado como un gas ideal con respecto a algunas propiedades; además, con el aire la máquina podría alcanzar mayores revoluciones por minuto (RPM) que con vapor o agua (otros dos fluidos interesantes de estudiar), lo que según investigaciones anteriores favorece el rendimiento de la turbina. El desarrollo del presente trabajo comenzó con la recopilación de información sobre la turbina tipo Tesla, abarcando también bombas y compresores tipo Tesla, lo que sirvió de base para el estudio a realizar. Posteriormente se investigó acerca del software utilizado para la modelación en CFD (la herramienta Fluent de ANSYS), de manera de escoger el modelo matemático iterativo más adecuado y las suposiciones oportunas para desarrollar el trabajo en el tiempo establecido para el mismo. En este trabajo, se modeló un único espacio inter-disco representativo de los demás que posee la máquina. Se efectuaron simulaciones para tasas de giro entre 1.000 y 18.000 RPM, logrando así simular distintas cargas en el eje, obteniendo de esta forma el torque, la potencia y el rendimiento, entre otros resultados. Dentro de las conclusiones importantes, se destaca la linealidad del decaimiento del torque, a medida que aumentan las RPM, notándose también un aumento de la potencia y el rendimiento hasta las 13.000 RPM, tasa de giro desde la que éstos comienzan a disminuir. Una vez finalizada la lectura de este trabajo, se espera que el lector no sólo adquiera información acerca de la simulación realizada, sino que también este informe le pueda servir como guía para simulaciones similares en CFD a realizar con el software ANSYS y su interfaz Fluent. Es así como en la sección en la que se explica el ajuste el software, se ha prestado gran atención en representar la mayor cantidad de detalles posibles.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Este estudio presenta el análisis de una turbina eólica de eje horizontal que utiliza cilindros en rotación, en lugar de aspas con perfiles alares. El principio de funcionamiento de este generador eólico es el efecto Magnus, el cual sucede cuando las aspas cilíndricas se ponen en rotación y se da una interacción entre la corriente de viento incidente y el aire que es arrastrado por las paredes de los cilindros en movimiento. De esta forma se obtiene la sustentación que pone en movimiento la turbina. El objetivo buscado es caracterizar este tipo de turbina y buscar sus posibles aplicaciones en ambientes urbanos, mediante modelos numéricos y matemáticos que permitan determinar los parámetros de funcionamiento de las turbinas eólicas Magnus de eje horizontal. Se incluye un análisis teórico del efecto Magnus mediante la teoría de Flujo Potencial, con el cual se logra obtener una expresión analítica de la fuerza que produce este efecto sobre un cilindro en rotación, partiendo de un flujo irrotacional, incompresible y no viscoso. Para estudiar el desempeño de la turbina, se propone un método numérico no iterativo, que es implementado en un código que permite predecir el rendimiento de turbinas de eje horizontal, el cual es validado con mediciones experimentales de turbinas convencionales. Posteriormente se adecúa el código para aplicarlo a turbinas Magnus y con ello se obtiene el comportamiento de la curva de potencia ante variaciones en la geometría y cantidad de cilindros, así como las velocidades angulares de la turbina y del aspa cilíndrica. Los resultados de las simulaciones numéricas se procesan para obtener un modelo matemático del comportamiento de la turbina, el cual permite definir parámetros óptimos de operación y establecer un valor máximo de 0,2 para el coeficiente de potencia de este generador eólico, en el marco de su aplicación en ambientes urbanos.

Ingeniero Civil Mecánico / La diversificación de la matriz energética en el plano nacional es un tema actual de discusión. Lo anterior se debe al escenario de crisis que ha provocado el incremento sostenido de la demanda energética durante los últimos 50 años, la contaminación ligada al consumo de energía producida con combustibles fósiles y el aumento de los costos de vida en general. En relación con ésto, el desarrollo e investigación ligado a nuevas fuentes de energía es necesario con el objeto de tener una red de generación limpia, viable económicamente y con una vida útil sustentable en cuanto a recursos. En este trabajo se estudia la fluidodinámica de una turbina helicoidal GHT para generación de energía mareo-motriz con datos obtenidos para el Canal de Chacao, X Región de Los Lagos. El trabajo realizado tuvo como objetivo principal obtener curvas de torque y eficiencia en relación con la velocidad angular de la turbina, lo que sirve para dimensionar la producción energética que puede ser generada. De manera adicional se estudiaron dos modelos de turbina derivadas del original y con ello se comparan también dos geometrías para la base de la turbina. Se realizaron simulaciones computacionales 3D por método de volúmenes finitos utilizando Ansys FLUENT, teniendo como antecedentes las características del recurso hidráulico y la geometría de la turbina GHT. Para ello se llevó a cabo previamente la etapa de validación de la malla. Se estudiaron también el efecto de algunas variables que inciden en los resultados mediantes análisis de sensibilidad 2D. Por otro lado se realizó una aproximación analítica mediante la implementación de un modelo de moméntum para turbinas de eje vertical, con modificaciones para aplicarlo a esta turbina helicoidal. Los principales resultados indican que este nuevo modelo tendría una eficiencia máxima estimada entre 12% y 19%, pudiendo generar del orden de 300 kW por módulo en marea viva. Los dos modelos derivados de esta turbina obtienen resultados menores, y el tipo de base que menos perturba la potencia generada es la base plana.