Post on 12-Apr-2016
I
SIMULADOR DE MÁQUINAS DE FLUIDOS
Autor: Suárez Nieto, Luis.
Directores: Mochón Castro, Luis.
Palacios Hielscher, Rafael.
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
1. INTRODUCCIÓN
El objeto principal de este proyecto es la conformación de un simulador de
orientación académica que permita trabajar con distintas familias de máquinas de fluidos.
En este caso se estudia en profundidad el diseño geométrico óptimo y el comportamiento
real fuera del punto de diseño de las turbinas hidráulicas y de las bombas hidráulicas
rotodinámicas.
Con objeto de ofrecer este simulador a la comunidad científica y para actividades de
tipo académico, se decidió implementar una interfaz web que da acceso a los simuladores
de todas las máquinas de fluidos implementadas. Este simulador está disponible en un
servidor de la Universidad Pontificia Comillas y es accesible desde cualquier dispositivo
con acceso a Internet,
Para sacar el máximo rendimiento de esta herramienta se estudian las distintas
tecnologías existentes en el mercado. Se observa algo común en todas estas, que son muy
específicos de una determinada máquina, y no se encuentra ninguna que ofrezca un estudio
de dos o más máquinas de fluidos.
Los principales objetivos de este proyecto, a parte de la revisión técnica y teórica de
las ecuaciones de comportamiento de las máquinas tratadas, buscan la creación de una
interfaz lo más sencilla e intuitiva posible, de modo que el usuario este guiado en todo
momento. Para poder lograr esto se ha decidido crear una aplicación web ya que el acceso
es libre y gratuito para cualquier usuario que simplemente tenga acceso a internet.
Los lenguajes y aplicaciones empleados son:
Lenguaje HTML [HTM13]: Utilizado para el diseño de las distintas páginas web
creadas. También es soporte de otros lenguajes usados como JavaScript.
Lenguaje JavaScript [JAV13]: Empleado dentro de código HTML para realizar
distintas validaciones y comprobaciones de entradas del usuario y a la vez dotar de
mayor dinamismo a la web.
Lenguaje PHP [PHP13]: Es el encargado de realizar los cálculos internos a partir
de los datos introducidos por el usuario, y de presentar los resultados obtenidos.
Google Chart Api [CHA13]: Usado para la conformación de gráficos dentro de
códigos PHP.
II
2. METODOLOGÍA
A partir de los objetivos impuestos en el apartado anterior se marcan los pasos o
procedimiento a seguir para el desarrollo de la herramienta.
En primer lugar se estudia en profundidad las ecuaciones de comportamiento de las
máquinas tratadas en este proyecto [AGU96]. Para la obtención de resultados se han
impuesto algunas consideraciones simplificadoras como rendimientos ideales o ángulos
fijos que no hacen variar mucho los resultados con respecto a la realidad.
Como se trata de un simulador en construcción, en los próximos años se podrán
introducir nuevas mejoras en el simulador que se aproximen en mayor medida al
funcionamiento real.
Una vez definidas y estudiadas las ecuaciones de comportamiento se pasa a la
confección de la interfaz. La estructura es doble para cada máquina ya que se estudia tanto
el diseño como el comportamiento fuera del punto de diseño. Se detallan resumidamente a
continuación:
Turbinas hidráulicas:
La parte de diseño tendría una estructura como la que se presenta a continuación:
Figura 1. Estructura y capturas de la parte de diseño de Turbinas Hidráulicas
Consta de cuatro partes fundamentales:
- Index.html: Es la página principal y de bienvenida al usuario del simulador,
común a todas las máquinas de fluidos.
- Menuturbinas.html: Es la página donde el usuario escoge entre estudiar el
diseño o el comportamiento de las turbinas hidráulicas.
- Submenudiseno.html: Es la página encargada de seleccionar el tipo de turbina y
direccionar al usuario al correspondiente centro en función de unos datos
introducidos por el usuario.
III
- Disenopelton.php, disenofrancis.php, disenokaplan.php: Son los distintos
centros de ensayos donde existe un formulario que debe rellenar el usuario
correctamente y que una vez enviados presenta los resultados, tablas y gráficas
pertinentes.
La parte de comportamiento tiene una estructura mucho más sencilla:
Figura 2. Estructura y capturas de la parte de comportamiento de Turbinas Hidráulicas
Consta de cuatro partes fundamentales:
- Index.html: Ya definida en la parte de diseño.
- Menuturbinas.html: Definida en la parte de diseño.
- Submenucomportamiento.html: Menú donde el usuario escoge entre las tres
turbinas a ensayar.
- Cpelton.php, cfrancis.php, ckaplan.php: Página de resultados. Presenta la
gráfica de rendimiento total de las turbinas en función del grado de carga.
Bombas hidráulicas rotodinámicas:
La parte de diseño tendría una estructura como la que se presenta a continuación:
Figura 3. Estructura y capturas de la parte de diseño de Bombas Hidráulicas
IV
Consta de tres partes fundamentales:
- Index.html: Ya descrita anteriormente.
- Menubombas.html: Página donde el usuario escoge el tipo de estudio a realizar,
diseño o comportamiento.
- Disenobombas.html: Centro de diseño común a las cuatro bombas que contiene
en distintos frames formulario, título, esquemas y resultados una vez validados
y enviados los datos de entrada.
La parte de comportamiento tiene una estructura muy sencilla, ya que sólo se
estudia el comportamiento fuera del punto de diseño de bombas centrífugas.
Figura 4. Estructura y capturas de la parte de comportamiento de Bombas Hidráulicas
Consta de tres partes fundamentales:
- Index.html: Ya descrita anteriormente.
- Menubombas.html: Descrita anteriormente.
- Cradial.html: Centro de ensayos común que contiene en distintos frames o secciones
formulario, título, esquemas y resultados una vez validados y enviados los datos de
entrada.
Una vez creadas las distintas páginas base de todas las máquinas se procede a la
implantación de sistemas de validación de entradas, de comprobación de entradas y otras
funciones que dotan de dinamismo a la herramienta. También se implanta un acceso directo
al comportamiento de bombas centrífugas desde los propios resultados de la parte de diseño
de modo que los parámetros geométricos calculados se traspasan al centro de
comportamiento automáticamente.
En las páginas de resultados, con extensión php, se implantan las distintas
ecuaciones y desarrollos definidos en un primer momento y se comprueba que los
resultados que se obtienen son los esperados.
V
3. RESULTADOS
En este apartado se analizan concretamente tres aspectos: resultados de los cálculos
obtenidos en la herramienta, compatibilidad de la herramienta y cumplimiento de estándares
del código programado.
Se ha demostrado mediante diversas simulaciones y experimentos que los resultados
obtenidos mediante la herramienta son prácticamente iguales a los obtenidos por
procedimiento manual. Las pequeñas diferencias que se aprecian se deben a diversas
parametrizaciones y aproximaciones detalladas en la memoria.
La compatibilidad del simulador con los distintos navegadores y dispositivos más
usuales existentes en el mercado es prácticamente total. Sólo se aprecian algunas diferencias
estéticas relativas al tamaño de las distintas formas de botones según el navegador, que no
influyen en el correcto funcionamiento de la herramienta. Para realizar estas
comprobaciones se han usado los propios dispositivos tratados y la herramienta disponible
en http://www.saucelabs.com [SAU13] para probar en distintos navegadores.
Por último, mediante la herramienta que pone en disposición la Organización
Internacional W3C en la web: http://validator.w3.org [VAL13], se comprueba la aptitud
según los estándares impuestos por esta organización de las distintas páginas web en
lenguaje HTML que conforman el software.
4. CONCLUSIONES
La conclusión más importante es que los principales objetivos basados en el
desarrollo de una herramienta-simulador de máquinas de fluidos sencilla e intuitiva y con la
mayor compatibilidad posible han sido conseguidos. El simulador se encuentra alojado en el
servidor de la universidad y está disponible de forma gratuita para cualquier usuario con
acceso a internet en la dirección:
http://www.iit.upcomillas.es/palacios/fluidos
Esta página aparece en la primera posición de Google al realizar búsquedas por los
términos:
“simulador de máquinas de fluidos”
“simulador de turbinas hidráulicas”
“simulador de bombas hidráulicas”
Para mejorar la interfaz de usuario se han desarrollado distintas funciones de
validación y comprobación de datos introducidos por el usuario evitando posibles errores en
la ejecución de los cálculos internos.
Por último, acerca de desarrollos futuros sería interesante el estudio de las curvas
topográficas de rendimientos, o colinas de rendimientos, de las turbinas y bombas
hidráulicas para poder extraer de ellas mayor información para el estudio del
comportamiento fuera del punto de diseño. Al tratarse de un proyecto abierto y en
producción, se seguirán incorporando nuevas familias de máquinas de fluidos en venideros
años. El pasado curso, 2012-13, se trabajó con máquinas oleohidráulicas y con compresores
VI
[GAR12], y en este actual proyecto se han desarrollado las turbinas hidráulicas y las
bombas hidráulicas rotodinámicas.
5. REFERENCIAS
[GAR12] Fernando García Muñoz, “Simulador de máquinas de fluidos”, ICAI-
Universidad Pontificia de Comillas, año 2012.
[AGU96] Jose Agüera Soriano, “Mecánica de fluidos incompresibles y turbomáquinas
hidráulicas”, Ciencia 3 Editorial, año 1996.
[HTM13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje HTML,
http://www.w3schools.com/html, año 2013.
[PHP13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje PHP,
http://www.w3schools.com/php, año 2013.
[JAV13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje Java Script
http://www.w3schools.com/javascript, año 2013.
[CHA13] Google, aplicaciones Google Chart Api, http://developers.google.com/chart,
año 2013.
[SAU13] Saucelabs, simulador de diversos navegadores, http://www.saucelabs.com,
año 2013.
[VAL13] W3C o World Wide Web Consortium, cumplimiento de estándares HTML,
http://validator.w3.org, año 2013.
I
LIQUID FLUID MACHINE SIMULATOR
Author: Suárez Nieto, Luis.
Directors: Mochón Castro, Luis.
Palacios Hielscher, Rafael.
Collaborating Organization: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.
PROJECT SUMMARY
1. INTRODUCTION
This project’s main aim is the configuration of an academically-orientated
simulator, which permits working with different families of fluid machines. In this case
the design and the performance of hydraulic turbines and rotary dynamic pumps are
studied in great detail.
The simulator is designed to both the scientific and academic community, so
decided to develop one web page with all the fluid machines inside. This application is
accessible from everywhere with internet access in the Universidad Pontificia de
Comillas web page.
In order to achieve the tool’s maximum performance, different technologies
existing on the market have been studied. There is a common denominator to all these
technologies: they are all specifically for one type of machine, and none is found which
offers a study of two or more fluid machines.
The principal objective of this project, apart from technical revision and
behavior equation theories for the machines used, is to create the simplest and most
intuitive graphical interface which allows the user to be guided all the time. The
method chosen to fulfill this objective is the creation of a web application because
access is free to all users with internet access.
The languages and applications used are:
HTML Language [HTM13]: For design of the different web pages created.
Also serving as support for other languages used such as JavaScript.
JavaScript [JAV13]: Used within HTML codes in order to carry out different
validations and verifications of user-data and at the same time providing a more
dynamic aspect to the web.
PHP Language [PHP13]: Used to perform internal calculations using data
introduced by the user, it also presents the obtained results.
Google Chart Api [CHA13]: For creating graphics within PHP codes.
II
2. METHODOLOGY
The steps and procedures to be followed to develop the tool are based on the
objectives described above.
Firstly, performance equations of the machines dealt with in this project have
been thoroughly studied. In order to obtain results some simplifying actions have been
taken such as the assumption of ideal performance or fixed angles which won’t vary the
results too much with respect to reality.
As this simulator is under construction, over the following years new
improvements may be introduced which will bring it closer to its real functions.
After the performance equations have been defined and studied, building of the
interface is started. A double structure for each machine is used in order to study design
as well as performance outside the design point. These are detailed as continued:
Hydraulic Turbines:
The design area has a structure as presented here below:
Figure 1. Structure of the design part of Hydraulic Turbines
It has four fundamental parts:
- Index.html: The main page which welcomes the simulator’s user and is
common to all the fluid machines.
- Menuturbinas.html: On this page the user chooses between studying design
or performance of the machines.
- Submenudiseno.html: This page is responsible for choosing the type of
turbine and for redirecting the user, depending on the data introduced, to the
corresponding center.
- Peltondesign.php, francisdesign.php, kaplandesign.php: Different test
centers containing forms to be filled out correctly by the user which, when
remitted present the pertinent results, tables and graphics.
III
The performance screen has a much simpler structure:
Figure 2. Structure of the performance part of Hydraulic Turbines
It has four fundamental parts:
- Index.html: Already defined in the part corresponding to design.
- Menuturbinas.html : Defined in the part corresponding to design.
- Submenucomportamiento.html: Where the user chooses to test on one of the
three turbines.
- Cpelton.php, francis.php, ckaplan.php: Results page. It presents a graphic of
the overall performance of the turbines depending on the grade of loading.
Rotary Dynamic Hydraulic Pumps
The design screen has the following structure
Figure 3. Structure of the design part of Rotary Pumps
IV
This screen has three fundamental parts:
- Index.html: Already defined beforehand
- Menubombas.html: The user chooses the type of research, design or
performance he wants to carry out.
- Disenobombas.html: Design center common to the four pumps containing
different frames or formula sections, titles, schemes and results once the
input data has been validated and remitted.
The performance part has a very simple structure, as only performance outside
the design point of centrifugal pumps is studied.
Figure 4. Structure of the performance part of Rotary Pumps
This screen has three fundamental parts:
- Index.html: Described beforehand
- Menubombas.html: Described beforehand
- Cradial.html: Trial center common to all pumps which has different frames
or formula sections, titles, schemes and results once the input data has been
validated and remitted.
After creating the different basic pages of all the machines, the next procedure is
the establishment of different systems which validate and verify input as well as other
functions which provide a dynamic operation to the site. A direct link is also introduced
to the centrifugal bomb performance area from the results of the design area so that the
geometrical parameters calculated are transferred automatically to the performance
center.
On the results pages, with php. extension, different equations and improvements
defined at the beginning, are established and verification that the results obtained are
those desired is carried out.
V
3. RESULTS
In this section three aspects are analyzed: results of the operations obtained on
the site, compatibility of the site and compliance to the standards with regard to the
code programmed.
Using different simulations and experiments, the results obtained on this tool are
practically the same as those obtained in a manual procedure. Small differences
appreciated are due to different parameterizations and approximations detailed in the
memory.
The simulator is compatible to almost all types of browsers and mobile devices
available on the market. Only a few variations are appreciated related to web design,
line breaks or different sizes in the types of buttons, depending on the browser used,
which do not interfere at all with the correct functioning of the tool. To analyze the
compatibility it have been used the different devices and the web page
http://www.saucelabs.com [SAU13] to study the simulator in different browsers.
Finally, using a program supplied by the International Organization W3C, on its
web-site http://validator.w3.org [VAL13], the capacity is verified based on the standards
established by this organization regarding the different web pages in HTML language
which make up the software.
4. CONCLUSIONS
The most important conclusion is that the main aim regarding the development
of a simple, intuitive software tool simulator for fluid machines, with the highest
possible compatibility has been achieved. The simulator can be found on the
University’s website and is available, free of charge, to any user with access to the
internet at the following web-address:
http://www.iit.upcomillas.es/palacios/fluidos
Another important conclusion to be commented on is the advantages of the
different validating and verifying functions and the verification of the data introduced
by the user which avoids errors in the processing of internal calculations.
Lastly, regarding future developments, the study of topographic output curves,
or performance hills of the hydraulic turbines and pumps would be interesting in order
to capture all the information possible regarding the study of performance outside the
design-point. As commented earlier on, the incorporation of new families of fluid
machines is also open. Last year, in 2012-13, there were studied the compressors and
oleohydraulic machines [GAR12], and this year the hydraulic turbines and pumps.
VI
5. BIBLIOGRAPHY
[GAR12] Fernando García Muñoz, “Simulador de máquinas de fluidos”, ICAI-
Universidad Pontificia de Comillas, year 2012.
[AGU96] José Agüera Soriano, “Mecánica de fluidos incompresibles y
turbomáquinas hidráulicas”, Ciencia 3 Editorial, year 1996.
[HTM13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje HTML,
http://www.w3schools.com/html, year 2013.
[PHP13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje PHP,
http://www.w3schools.com/php, year 2013.
[JAV13] W3C o World Wide Web Consortium, tutoriales lenguaje Java Script
http://www.w3schools.com/javascript, year 2013.
[CHA13] Google, aplicaciones Google Chart Api,
http://developers.google.com/chart, year 2013.
[SAU13] Saucelabs, simulador de diversos navegadores,
http://www.saucelabs.com, year 2013.
[VAL13] W3C o World Wide Web Consortium, estándares HTML,
http://validator.w3.org, year 2013.