Publicação: Modelagem Computacional de Escoamentos em Turbinas Francis Usando a Plataforma OpenFOAM
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Autores
Orientador
Coorientador
Barbi, Franco
Resumo
Neste trabalho apresenta-se a modelagem e simulações computacionais de escoamentos
incompressíveis turbulento em uma turbina Francis de geometria real, baseada
na unidade da Usina Hidrelétrica Foz do Chapecó, utilizando o software
OpenFOAM. É desenvolvido um modelo físico representativo da máquina,
formulado o modelo matemático-diferencial a partir das equações de
Navier-Stokes na forma URANS com modelo de turbulência k–ε. A partir das simulações, analisam-se qualitativamente os campos de
pressão e de velocidade, verificando-se comportamento coerente com o esperado
para turbinas Francis e com resultados de referência da literatura. Em
seguida, são avaliadas duas abordagens para a estimativa da potência no eixo:
uma baseada na Primeira Lei da Termodinâmica, utilizando grandezas médias em
seções de entrada e saída, e outra a partir do momento no rotor calculado
pela função forces do OpenFOAM. Obtêm-se potências de
aproximadamente 170,61 MW e 107 MW, respectivamente,
valores inferiores à potência de projeto da unidade 212 MW, o
que é discutido à luz das simplificações geométricas, das condições de
contorno adotadas e das limitações do modelo de turbulência. Os resultados
demonstram o potencial da Dinâmica dos Fluidos Computacional como ferramenta
de análise em turbinas hidráulicas, ao mesmo tempo em que evidenciam a
importância de uma modelagem cuidadosa para a obtenção de previsões
quantitativas mais próximas do comportamento real.
Abstract
This work presents the modeling and numerical simulation of incompressible
turbulent flow in a Francis turbine with a real geometry, based on the unit
installed at the Foz do Chapecó Hydropower Plant, using the OpenFOAM
software. A representative physical model of the machine is developed, the
mathematical model is formulated from the Navier--Stokes equations in the
URANS form with the k–ε turbulence model.
From the simulations, pressure and velocity fields are qualitatively
analyzed, showing behavior consistent with that expected for Francis turbines
and with reference results from the literature. Then, two approaches are
used to estimate the shaft power: one based on the First Law of
Thermodynamics, using averaged quantities at the inlet and outlet sections,
and another based on the rotor moment computed by the forces function of OpenFOAM. Powers of approximately 170.61 MW and 107 MW are obtained, respectively, both lower than the design
power of the unit 212 MW, which is discussed in terms of
geometric simplifications, boundary conditions and turbulence modeling
limitations. The results demonstrate the potential of Computational Fluid
Dynamics as an analysis tool for hydraulic turbines, while highlighting the
importance of careful modeling to achieve quantitative predictions closer to
the real behavior.
Palavras-chave
Turbina Francis, Francis turbine, CFD, OpenFOAM, URANS, potência hidráulica, hydraulic power
Citação
PEREIRA, Vitor Eduardo. Modelagem Computacional de Escoamentos em Turbinas Francis Usando a Plataforma OpenFOAM. 2025. 60 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026.
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