1. Repositorio Institucional del Tecnológico Nacional de México (RI - TecNM)
2. Tesis de Posgrado
3. Morelos
4. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
5. Tesis CENIDET
6. Tesis de Maestría
7. Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica

Title:	Diseño Numérico de un Arreglo en Línea de Rotores Hidrocinéticos de Tipo Arrastre en Tuberías que Mejore los Patrones de Flujo e Incremente el Rendimiento Energético del Sistema
Authors:	Carrasco García, José%2051247
metadata.dc.subject.other:	Turbinas hidrocinéticas, turbinas de arrastre, arreglos en línea, Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), flujo confinado, tuberías presurizadas,optimización hidrodinámica, método Taguchi, Energía cinética turbulenta (TKE), efectividad mecánico-hidráulica
Issue Date:	2026-08-05
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Description:	La presente investigación se centra en el diseño numérico y la optimización hidrodinámica de arreglos en línea de turbinas hidrocinéticas de tipo arrastre, concebidas para su instalación en tuberías de distribución de agua potable. El objetivo principal es maximizar la producción energética del sistema y mejorar los patrones de flujo, abordando una brecha significativa en la literatura respecto al comportamiento de múltiples rotores en condiciones de flujo confinado. Para ello, se desarrolló un marco algebraico paramétrico innovador que permite generar rotores esféricos de manera reproducible, garantizando la consistencia geométrica entre diferentes configuraciones y facilitando la comparación objetiva de su desempeño. Se evaluaron numéricamente seis configuraciones geométricas de álabes (s-shaped, Semi-Elíptica, Bach, Geometría A, Geometría B y Geometría C) mediante simulaciones transitorias de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando el modelo de turbulencia k-ω SST, previamente verificado y validado con datos experimentales de la literatura. Como contribución central y original, se propone un parámetro adimensional denominado efectividad mecánicohidráulica (Ψ∗ ), el cual cuantifica el equilibrio entre la generación de torque útil y la penalización hidráulica inducida por la caída de presión, superando las limitaciones de los criterios de eficiencia convencionales. Los resultados individuales identificaron a la Geometría A como la configuración óptima, alcanzando una eficiencia energética del 18.72% y una mejora en Ψ∗ de hasta el 28% en comparación con las geometrías de referencia reportadas en la literatura especializada. Posteriormente, se implementó un diseño de experimentos basado en el método de Taguchi con un arreglo ortogonal L9(3³), reduciendo significativamente el costo computacional al evaluar únicamente nueve configuraciones de arreglos en línea de dos turbinas. El análisis de la relación señal-ruido permitió determinar que el factor de diseño más influyente en la eficiencia global del sistema es el tipo de turbina ubicada aguas abajo, seguido por la turbina aguas arriba, mientras que la distancia de separación axial mostró un efecto secundario dentro del intervalo estudiado (400, 800 y 1600 mm). La configuración óptima identificada corresponde a un arreglo de turbinas gemelas Geometría A con una separación axial de 400 mm (equivalente a 4.34 diámetros de rotor), alcanzando una eficiencia máxima del 20.15% y una efectividad mecánico-hidráulica de Ψ∗ = 0.0368. El análisis de la energía cinética turbulenta (TKE) reveló una relación exponencial inversa entre la intensidad de la turbulencia y la distancia de separación, con una atenuación del 86% al aumentar la separación de 400 mm a 1600 mm. Un hallazgo contra intuitivo pero relevante es que las configuraciones con menores distancias de separación presentan los niveles más altos de TKE y, simultáneamente, las mayores eficiencias energéticas, lo que sugiere que la turbulencia no debe interpretarse exclusivamente como una pérdida, sino como parte de mecanismos de interacción favorable entre rotores. Como productos derivados de la investigación, se publicó un artículo en una revista indexada en el JCR Q1 (Results in Engineering, factor de impacto 6.0) y un artículo en las memorias del V Congreso Internacional de Tecnología y Ciencia Aplicada (CITCA 2026). El estudio concluye que la optimización de arreglos hidrocinéticos en tuberías debe priorizar la selección de las características geométricas de los rotores, especialmente la turbina aguas abajo, sobre la distancia de separación, y que futuros análisis deben incorporar simulaciones con libertad de movimiento rotacional (6DOF) para capturar la respuesta dinámica real de los rotores bajo condiciones de flujo fluctuante.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/masterThesis
Appears in Collections:	Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica

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