¿Cómo medir con precisión la velocidad del agua dentro de una tobera o en un chorro libre a alta velocidad, sin perturbar el flujo? Este fue el reto que abordó un equipo de investigadores de la Universidad Libre de Bolzano, Italia, utilizando un sistema de Anemometría Láser Doppler (LDA) de Dantec Dynamics. Su estudio demuestra el potencial de esta tecnología para caracterizar flujos hidráulicos complejos, como los que encontramos en turbinas tipo Pelton, especialmente en condiciones de caudal bajo.

El estudio, realizado en condiciones reales de operación con caudales reducidos, pone de manifiesto el gran potencial de esta técnica óptica no intrusiva para investigar flujos hidráulicos complejos con una precisión experimental que permite optimizar sistemas hidráulicos, validar y complementar simulaciones CFD.

Un contexto muy real: caudales bajos, eficiencia comprometida

En un contexto de escasez hídrica y largos periodos secos, las plantas hidroeléctricas se ven obligadas a trabajar con caudales muy inferiores al nominal. En turbinas tipo Pelton que están diseñadas para funcionar con altos saltos hidráulicos pero caudales moderados —especialmente sensibles a esta condición— la eficiencia puede caer drásticamente. Esto plantea una necesidad urgente: entender cómo se comporta el flujo dentro de la tobera y en el chorro que impulsa la rueda cuando el sistema opera por debajo del 30 % de su capacidad.

En una turbina tipo Pelton, el agua llega a las toberas a través de un distribuidor que divide el caudal entre varias salidas. Luego, el chorro impacta sobre cucharas ubicadas en el perímetro del rodete. Aunque se han realizado numerosos estudios CFD sobre el diseño de las toberas Pelton para estudiar los flujos secundarios y mejorar la calidad del chorro, aún faltan datos experimentales sobre el perfil de velocidades y su homogeneidad tanto dentro de la tobera como en el chorro a su salida.

Esta carencia se debe a la dificultad de medir con precisión la velocidad del flujo utilizando técnicas tradicionales sin alterar la dinámica del agua. Aquí es donde entra en juego la Anemometría Láser Doppler (LDA)

¿Qué es la Anemometría Láser Doppler (LDA)?

La técnica LDA permite medir la velocidad de partículas en suspensión dentro de un fluido a través de la interferencia entre dos haces láser. Es una técnica óptica sin contacto, de alta resolución espacial y temporal que permite obtener medidas de velocidad puntuales, ideal para aplicaciones donde se requiere máxima fidelidad y no se pueden introducir sondas físicas en el flujo.

En este ensayo se utilizó un sistema FiberFlow LDA de Dantec Dynamics equipado con dos láseres de 532 nm y 561 nm, para medir dos componentes de velocidad. El sistema está equipado con una lente de 300mm de focal y la potencia máxima del láser es de 300mW por cada par de haces. El procesamiento de la señal se llevó a cabo mediante el analizador Burst Spectrum (BSA) y el software especializado BSA Flow de Dantec Dynamics.

Configuración experimental

1.Tubería de suministro. 2.Tobera Pelton. 3.Sonda LDA 4. Sistema de desplazamiento Traverse

Para el estudio, se diseñó una tobera en PMMA con geometría ópticamente accesible, simulando fielmente las condiciones de una Pelton real, para poder observar el flujo interno con LDA.

La geometría de la tobera incluye tres paredes con una superficie exterior plana y perpendicular al suelo, y una cuarta pared que sigue el contorno interior curvo de la tobera. Esta configuración se diseñó para considerar y evaluar los efectos de distorsión óptica provocados por superficies curvas al atravesarlas la luz láser. La curvatura puede deformar y desplazar el volumen de medición generado por los haces laser, lo cual debe ser cuidadosamente considerado en ensayos con LDA.

El diámetro de la tobera en su sección cilíndrica es de 81,5 mm, mientras que el diámetro en la salida es de 36 mm.

Medidas en la Tobera

Las mediciones se realizaron con un caudal de 14 litros por segundo y una altura de 18 metros. Este valor representa aproximadamente el 35 % del caudal nominal de la tobera, ya que resulta de especial interés analizar su comportamiento en condiciones de caudal reducido.

La sonda del sistema LDA se montó sobre un soporte giratorio y se desplazó mediante un sistema de desplazamiento Traverse que permite moverlo en dos planos: uno horizontal (perpendicular al eje de simetría de la tobera) y otro vertical (paralelo al eje de simetría de la tobera). Se definió una malla de volúmenes dentro de la tobera en los que se realizarían las mediciones de velocidad, desplazándose 5 mm a lo largo del eje horizontal y 10 mm a lo largo del eje vertical.

Los haces láser emitidos atraviesan tres materiales diferentes antes de formar el volumen de medición: el aire, el PMMA que constituye la tobera de la turbina Pelton, y finalmente el agua contenida en su interior: objeto de la medición.

Dado que los haces láser inciden ligeramente inclinados respecto a las superficies que atraviesan, su transmisión de un medio a otro implica un cambio de dirección en la propagación de la luz. Para tener en cuenta este fenómeno, se utilizó la ley de la refracción, también conocida como ley de Snell, con el fin de aplicar las correcciones necesarias tanto a la posición del volumen de medición como al valor de la velocidad registrada.

Esquema óptico para calcular las refracciones a través de diferentes medios

Medidas en el chorro de agua

Para medir el campo de velocidades en el chorro de agua, aguas abajo de la tobera, se utilizó una cuña formada por un paralelepípedo rectangular de PMMA. Esta cuña, montada con tornillos micrométricos que permiten su ajuste fino, tiene como finalidad permitir el acceso óptico al interior del chorro, actuando como una ventana óptica.

La cuña se posicionó de forma que entrase en contacto con el chorro de agua sin perturbar el campo de velocidades en la zona situada más allá del eje de simetría del chorro —zona en la que se realizaron las mediciones.

Soporte de la cuña y fotografía de la técnica de medición propuesta para el chorro de agua.

Verticalmente, se colocó la cuña a una distancia de un diámetro de la tobera Pelton, con el fin de evitar la región donde se produce la contracción inicial del chorro. Los puntos de muestreo se distribuyeron cada 1 mm desde el eje del chorro hasta su superficie exterior.

Sistema de referencia para las mediciones de velocidad en el chorro de agua. Los números representan los puntos de medición.

La frecuencia de muestreo se ajustó siempre entre 100 Hz y 200 Hz, dependiendo del punto de medición. Para cada punto, se recogieron 20.000 mediciones de velocidad, lo que permitió minimizar el error de muestreo y calcular con precisión la velocidad media temporal.

Resultados

Campo de velocidades en la tobera

La tabla mostrada recoge los resultados obtenidos en la medición del campo de velocidad axial del agua dentro de la tobera de PMMA. Como era de esperar, cerca de las paredes laterales la velocidad tiende a disminuir debido a la presencia de la capa límite.

El efecto de esta capa límite es más pronunciado en la zona superior (de sección constante), ya que la velocidad del flujo es menor en esa región, lo que genera un gradiente de velocidad claramente visible. También se observa una ligera asimetría en el campo de velocidades, probablemente causada por una curva en el conducto aguas arriba de la tobera, que podría generar flujos secundarios.

En la sección convergente de la tobera, la velocidad aumenta de forma coherente con la reducción de la sección transversal. También en esta región se observa una disminución de la velocidad cerca de las paredes laterales.

Medición de la velocidad en el chorro de agua

La imagen muestra la tendencia de la velocidad axial para todas las posiciones del eje de medición a una distancia de un diámetro aguas abajo de la salida de la tobera. El punto 1 corresponde al eje del chorro, mientras que el punto 21 está ubicado en el borde externo del chorro.

En general, la velocidad media del flujo es consistente con la conservación del caudal másico, considerando también las pérdidas en la tobera, y confirma la precisión de la técnica de medición propuesta.

Como se observa en la línea de tendencia roja, la velocidad del chorro disminuye a medida que se aleja del centro, en línea con lo descrito en la bibliografía. Sin embargo, la velocidad axial se mantiene bastante constante también en el borde externo del chorro, lo que confirma la buena calidad del chorro de agua formado. Esto implica además una condición operativa favorable para las palas de una rueda Pelton.

¿Por qué elegir LDA para ensayos?

✔️ Sin contacto: No interfiere en el flujo ni introduce errores mecánicos.
✔️ Resolución extrema: Ideal para estudiar gradientes finos, flujos secundarios y regiones próximas a las paredes.
✔️ Multidireccional: Permite medir varias componentes de velocidad simultáneamente.
✔️ Versátil: Se adapta a toberas, canales, túneles de viento, chorros libres, etc.
✔️ Ideal para validación CFD: Complementa y valida simulaciones numéricas en condiciones reales.

Conclusión

Este experimento demuestra que un sistema LDA correctamente configurado puede marcar la diferencia en el estudio de flujos complejos en geometrías reales. En un momento donde la eficiencia energética y la optimización hidráulica son más importantes que nunca, contar con herramientas de medición como la LDA es clave para investigadores, ingenierías y explotadores de plantas hidroeléctricas.

Fuente: Giuseppe Roberto Pisaturo et al 2023 J. Phys.: Conf. Ser. 2511 012008

🔬 Desde Rosetta Technology, como representantes de Dantec Dynamics, ofrecemos asesoramiento, soluciones a medida y soporte técnico para que puedas aplicar esta tecnología a tus propios retos de medición.

📩 ¿Quieres saber si la tecnología LDA es la solución para tu caso? Escríbenos y lo analizamos juntos.

Si desea recibir información adicional o que nos pongamos en contacto para comentar más en detalle esta u otras soluciones, no tiene más que llamarnos al 91 805 19 10 o enviarnos un e-mail. ¡Estaremos encantados de ayudarle!