El fabricante de equipos de calefacción y refrigeración utiliza Simcenter STAR-CCM+ para ahorrar tiempo y costes simulando rápidamente múltiples diseños de bombas

Virtualización

Las bombas son los héroes anónimos de muchos aspectos de nuestras vidas. Permiten que nuestros sistemas de agua y alcantarillado, sistemas de ventilación, refrigeración en centrales energéticas y muchas más aplicaciones funcionen eficazmente.

Los ingenieros de diseño de bombas tienen que afrontar muchos retos si quieren crear productos nuevos y mejores. Las bombas tienen que funcionar a la perfección en una gran variedad de condiciones y durante mucho tiempo, y cumplir con las normativas públicas de eficiencia, mientras reducen al mínimo los tiempos de inactividad para reparaciones.

Los métodos tradicionales de diseño se han basado en gran medida en probar prototipos físicos. Esto puede resultar caro y llevar mucho tiempo, con varios ciclos de diseño/rediseño y pruebas para cada nuevo producto. La creación de un prototipo virtual permite investigar rápidamente varios diseños de bomba en una serie de posibles condiciones de funcionamiento, lo que no solo acelera el proceso de diseño, sino que también reduce los costes asociados a las pruebas físicas. Taco Comfort Solutions (Taco) utiliza este enfoque para sacar al mercado bombas mejores con mayor rapidez.

Diseño y simulación

Taco utiliza el software Simcenter STAR-CCM+® como laboratorio virtual antes de crear y probar los prototipos físicos. El ingeniero de producto Peter Vandal dirige las operaciones de diseño de dinámica computacional de fluidos (CFD) de Taco. Tras importar la geometría desde el software SolidWorks, todo el mallado, la simulación y el análisis se realizan en Simcenter STAR-CCM+, como se muestra en la Imagen 2. Para cada diseño de bomba, la simulación de CFD proporciona una representación tridimensional completa del flujo y las presiones dentro de la carcasa de la bomba.

«Podemos tomar lecturas en cualquier punto del modelo, como si fueran sondas virtuales», explica Vandal. «Por ejemplo, podemos extraer los valores de presión estática o presión total en los mismos puntos que las sondas utilizadas en las pruebas de laboratorio, de modo que podemos comparar directamente los resultados de Simcenter STAR-CCM+ con la aplicación en el mundo real».

Esta validación del modelo de CFD proporciona al equipo confianza en los resultados de CFD, junto con la visión predictiva de características de rendimiento como la altura, la eficiencia y el punto de máxima eficiencia (BEP) del caudal. Una vez que Vandal y su equipo tienen tres o cuatro diseños que ofrecen un rendimiento aceptable en Simcenter STAR-CCM+, pasan a construir y probar sus prototipos físicos. Incluso con su capacidad para crear prototipos de impulsores mediante estereolitografía (SLA, un tipo de impresión en 3D), construir y probar cada uno cuesta hasta 2500 dólares. Explorar el rendimiento de numerosos prototipos digitales en Simcenter STAR-CCM+ proporciona un importante ahorro de costes y tiempo, además de lograr una alta probabilidad de éxito en una sola fase de pruebas de prototipos y acortar los plazos de desarrollo.

Imagen 1: Ejemplo de bomba circuladora Taco Comfort Solutions.

Simulación de la curva completa de la bomba

Vandal y su equipo realizan simulaciones en estado estacionario de cada diseño, probando varios puntos de flujo para establecer el BEP del caudal. En un mundo ideal, las bombas funcionarían siempre cerca del BEP, pero no siempre es así. Para evitar problemas sobre el terreno y satisfacer las necesidades del cliente, es importante tener en cuenta el caudal fuera de diseño para asegurarse de que la bomba será robusta a lo largo de toda la curva de funcionamiento. Vandal describe tres secciones distintas: «En la parte izquierda de la curva de la bomba puede producirse una caída que no entra dentro de los valores admisibles. El BEP se encuentra en el centro y a la derecha debes examinar las condiciones de funcionamiento con caudales elevados».

Taco realiza simulaciones no estacionarias en Simcenter STAR-CCM+, con el objetivo de examinar toda la curva de la bomba.

«Inicializamos el modelo de CFD con una ejecución en estado estacionario al BEP del caudal, luego cambiamos las condiciones de contorno para que el caudal cambie hacia el caudal extremo», explica Vandal.

Compartió un ejemplo de un caso que mostraba un diseño de bajo rendimiento en la parte izquierda de la curva de rendimiento (Imagen 3): «Con caudales fuera de diseño, el flujo de la bomba puede volverse muy inestable (Imagen 4). Si hay demasiada caída de presión en el lado izquierdo de la curva de la bomba, podría haber problemas con el funcionamiento de una configuración de bombeo en paralelo. Pude realizar una simulación inestable en Simcenter STAR-CCM+ al 10 % y al 50 % del BEP del caudal en galones por minuto para cuantificar la cantidad de caída entre el punto de altura máxima (50 %) y la altura cercana al cierre (10 %). Utilicé el mismo método para simular diseños alternativos antes de construir los impulsores mediante SLA para las pruebas de laboratorio. Los diseños que pasaron a la fase de pruebas fueron los que mostraron buenos resultados no solo en cuanto al BEP, sino también a bajo caudal, con una menor caída de presión en el lado izquierdo de la curva de rendimiento».

Taco confía en que los diseños de sus bombas sean aún más robustos y funcionen con la mayor eficiencia y fiabilidad posibles, incluso cuando funcionan fuera de diseño.

Imagen 3: Ejemplo de curva de rendimiento para dos casos de prueba. Las líneas discontinuas muestran los resultados de Simcenter STAR-CCM+, las líneas continuas muestran los resultados de las pruebas de laboratorio. El caso A mostró una gran caída de presión (ΔA) entre el 50 % de BEP (altura máxima) y el 10 % de BEP. El rediseño del impulsor (caso B) redujo esta caída de presión (ΔB).

Imagen 2: Se diseña un modelo de bomba en software de CAD y se importa a Simcenter STAR-CCM+ (primero), donde se malla (segundo) y simula (tercero).

Optimización de los flujos de trabajo

El uso de Simcenter STAR-CCM+ para las pruebas virtuales ha acelerado el flujo de trabajo de diseño de Taco y ha reducido los costes asociados a las pruebas físicas.

«Cuando pienso en las primeras bombas en las que trabajé hace unos años, pedíamos piezas para probarlas, se estropeaban y teníamos que volver a empezar todo el proceso de diseño, pedido y pruebas», recuerda Vandal. «Ahora que usamos Simcenter STAR-CCM+, estamos eliminando este proceso iterativo de "volver a empezar" y así aceleramos todo el ciclo de diseño».

«Cuando empezamos a utilizar Simcenter STAR-CCM+, no teníamos muchos datos de pruebas de laboratorio para cotejarlos con los resultados de CFD, así que no sabíamos cuáles eran los mejores ajustes del modelo -como la rugosidad o los flujos de fuga- que debíamos utilizar. Ahora tenemos una biblioteca de datos de pruebas de laboratorio que valida los resultados de Simcenter STAR-CCM+, y sabemos qué ajustes del modelo debemos seleccionar para obtener resultados precisos».

Pero Taco se ha propuesto agilizar aún más su proceso de diseño. «Siempre estamos buscando formas de utilizar el software más rápidamente», comenta Vandal. «Cada vez que dedicamos un par de horas a algo, nos preguntamos cómo podríamos haberlo hecho en 50 minutos. Queremos trabajar de manera más inteligente con el software, no trabajar más».

Vandal y su equipo han trabajado estrechamente con su ingeniero de soporte especializado (DSE) de Siemens para agilizar sus simulaciones.

«Es estupendo tener un contacto en Siemens que conoce nuestros procesos y trabaja con nosotros para encontrar soluciones», explica Vandal. Taco colaboró con su DSE para desarrollar un proceso rápido de pruebas multidiseño utilizando la funcionalidad de intercambio de piezas de Simcenter STAR-CCM+. Una vez configurado el modelo y ejecutado en Simcenter STAR-CCM+, el intercambio de piezas permite a Vandal sustituir solo el impulsor o la voluta por un diseño alternativo, mientras los ajustes del modelo de CFD y las condiciones de contorno permanecen inalterados, como en la Imagen 5. A continuación, Simcenter STAR-CCM+ regenera rápidamente la malla y calcula una nueva solución.

«Utilizamos una convención de nomenclatura estandarizada en SolidWorks, así que cuando quiero cambiar una pieza en el modelo de Simcenter STAR-CCM+, basta con pulsar el botón de reemplazar pieza y ejecutar una nueva simulación», detalla Vandal. «Nos encanta trabajar así, ya que podemos probar varios casos uno tras otro utilizando la misma malla y los mismos ajustes de simulación. Esto no solo agiliza la ejecución de varias simulaciones, sino que también nos da confianza en que los resultados serán coherentes y repetibles».

Taco también ha creado macros Java para automatizar el proceso de «mallado y ejecución», lo que permite generar curvas de bombeo automáticamente. Los procesos automatizados de este tipo ayudan a Taco a alcanzar su objetivo de reducir a la mitad el tiempo actual del proceso de diseño.

Taco también mira hacia el futuro, con el objetivo de aprovechar los conocimientos adquiridos en los dos últimos años. Greg Case, director de tecnología (CTO), afirma: «Confiamos en nuestro uso estratégico de la simulación de CFD para ayudarnos a superar a nuestros competidores con bombas de mejor rendimiento, y aumentar la cuota de mercado».

Vandal explica: «Nuestro mayor beneficio al utilizar Simcenter STAR-CCM+ ha sido acortar el proceso de diseño iterativo en un sector muy competitivo. Queremos saber que cuando invertimos en esfuerzos de pruebas de laboratorio o en utillaje de piezas, los resultados tendrán una alta probabilidad de éxito. Simcenter STAR-CCM+ nos da la seguridad de que es así. Lo que queremos es eliminar el bucle de feedback entre las pruebas de laboratorio y la fase de diseño, de modo que cada diseño de bomba tenga la menor cantidad posible de pruebas de laboratorio».

«Queremos explorar digitalmente y confirmar físicamente en lugar de al revés. Dada la biblioteca de datos de pruebas de laboratorio de SLA que ahora tenemos utilizando tanto SLA como piezas metálicas, y la confianza que tenemos en los datos de Simcenter STAR-CCM+ que hemos generado hasta ahora, quiero apuntar a un futuro en el que ya no utilicemos pruebas de SLA, sino que vayamos directamente de Simcenter STAR-CCM+ a las pruebas de impulsores metálicos. Es un poco arriesgado, pero creo que es posible y nos ahorrará tiempo y costes, lo que nos permitirá sacar al mercado bombas nuevas, más eficaces y fiables más rápidamente».

Imagen 5: El intercambio de piezas permite cambiar rápidamente el impulsor, manteniendo igual el resto de la geometría. Los resultados son fácilmente comparables, ya que todos los ajustes de malla y física son idénticos.

Imagen 5: El intercambio de piezas permite cambiar rápidamente el impulsor, manteniendo igual el resto de la geometría. Los resultados son fácilmente comparables, ya que todos los ajustes de malla y física son idénticos.

Imagen 4: Cuando la bomba funciona con caudales muy alejados del diseño (primero), el caudal en la bomba se vuelve claramente muy inestable, con una recirculación mucho más visible en comparación con el BEP del caudal (segundo).