Αριθμητική μεθοδολογία προσομοίωσης της ροής και εναλλαγής ενέργειας σε υδροστροβίλους δράσης, με πειραματική διερεύνηση και πιστοποιήση

Abstract

The increasing international interest in the development of Renewable Energy Sources (RES) results in the increment of electricity generation from hydropower plants and pumped storage stations. The competition among manufacturers and the need to improve the cost-efficiency of hydro turbines is becoming more urgent. At the same time, the improvement of the computational algorithms and numerical methodologies allows the simulation and investigation of the flow in these turbines. The numerical methods can predict quickly and at low cost the specific characteristics of the flow and the efficiency of a turbine prior to its construction. So, it is possible to avoid the high cost of and extended experimental investigation.The aim of the presented thesis is to develop methodologies and tools for the investigation of the flow in the impulse hydro turbine Pelton, and to explore the possibilities for further improvement of their efficiency. The main objective of the study is the study of the runner, which is the most complicated part of the turbine and in which the greatest energy losses occur. In the first and the most extended part of this study, the case of the runner is investigated numerically, while the results were verified in the second part, which includes the experimental investigation of the runner in the Laboratory of Hydraulic Turbomachines (LHT), NTUA. In addition, in a third, less extended part, the injector of impulse turbines like Pelton or Turgo is investigated only numerically.At first, the flow in Pelton turbine runners was investigated with the Eulerian mesh-type method Volume of Fluid (VOF) using the commercial CFD software Ansys-Fluent. The process of flow simulation along with the appropriate parameters and settings were extensively studied in order to maximize the accuracy of the results, while retaining the computational time in acceptable limits. Additionally, the results of the VOF method applied for flow simulation in a reference runner geometry were compared to corresponding results using another Eulerian method, the Homogeneous, showing very good agreement and verifying their reliability. As concluded, the complex, two-phase, free surface, unsteady flow in the Pelton runner can be numerically simulated with acceptable accuracy but the computational time cost is large and prohibitive for full multi-parametric design optimization.The computational time was drastically reduced by implementing and improving the innovative numerical method, Fast Lagrangian Simulation (FLS), which is based on tracking of the trajectories of a representative number of fluid particles, without solving the full Navier-Stokes equations. It is a Lagrangian meshless method developed in LHT, and further improved during this study in order to increase the accuracy and reliability of its results. This investigation was based on the comparison of FLS results with the corresponding of other more accurate CFD methods, and a significant improvement of its accuracy of runner efficiency estimation is achievedAfterwards, a methodology was developed in order to numerically optimize the geometry of a Pelton runner using the aforementioned tools and methods. The target of the optimization was to maximize the hydraulic efficiency of the runner. The reference geometry of the runner was based on the available bibliography and so it was significantly different from the optimum one. So, in the first step the optimization was based on the FLS method in order to perform a full polyparametric optimization using the general optimization software, EASY, developed by the Computational Fluid Dynamics and Optimization team of the Laboratory of Thermal Turbomachinery, NTUA. The flow was simulated in many thousands of different runner geometries within acceptable time period, as the cpu-time of each flow evaluation using the FLS is only a few seconds in a modern PC. The second step of the optimization was based on the more accurate VOF model, using the obtained runner from the first step as starting geometry. The geometry of the runner was parameterized again and optimized using a Design-of-Experiments (DOE) methodology, while the impact on the runner efficiency of each design parameter was also investigated.The optimized runner resulted from the above procedure was manufactured and installed in a Pelton turbine at the LHT, replacing an older runner that was used as starting geometry in this study. In order to achieve more precise and reliable measurements, the data acquisition and monitoring board of the Lab was upgraded and all instruments were calibrated according to international standards. At first, the total efficiency of the turbine with the old runner was measured in the entire operating range. Next, the runner was replaced with the new one and the measurements were repeated, showing a significant increase in efficiency of about 6%, in agreement with the numerical results. In addition, various modifications in the internal geometry of the turbine casing where experimentally tested, in order to reduce the losses caused by the reflection of the flow after hitting the walls.Finally, the geometry of the injector of impulse water turbines (Pelton and Turgo) was investigated using the Eulerian mesh-type VOF method. The study of the flow in the injector was performed in two stages. In the first one, only the final part of the injector is investigated, where the majority of energy losses are taking place, and because of its simple, axisymmetric geometry. The geometry of the injector was parameterized and optimized for several operating conditions using a DOE methodology. It was found that the energy losses are strongly depended on the operating point, while using appropriate design characteristics they can be reduced to 2% for low flow rates and to 0.5% for fully open nozzle conditions. In the second stage the effect of the upstream characteristics of the distribution pipe were investigated, and more specifically, the last bend of the pipe and the vanes that support the needle in the injector. It was found that using an appropriate design for the injector, the produced secondary flow structures do not increase substantially the total hydraulic losses of the injector.Part of this Thesis (about one year), is carried out at the University of Lancaster, in the framework of the Erasmus program and the research collaboration between the LHT, NTUA and the Lancaster University Renewable Energy Group (LUREG).

Το αυξανόμενο διεθνές ενδιαφέρον για ενίσχυση της συμμετοχής Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στην παραγωγή ενέργειας, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ηλεκτροπαραγωγής από υδροηλεκτρικούς σταθμούς και σταθμούς αποθήκευσης ενέργειας μέσω άντλησης. Η ανάπτυξη του τομέα αυτού οδηγεί στην αύξηση της ανταγωνιστικότητας μεταξύ των κατασκευαστών, και η ανάγκη βελτίωσης της σχέσης κόστους-ενεργειακής απόδοσης των υδροστροβίλων γίνεται όλο και πιο επιτακτική. Ταυτόχρονα, η βελτίωση των υπολογιστικών συστημάτων και των μεθόδων μοντελοποίησης της ροής επέτρεψαν τη λεπτομερή αριθμητική ανάλυση και διερεύνηση της ροής στους υδροστροβίλους. Οι αριθμητικές μέθοδοι μπορούν να παρέχουν γρήγορη και οικονομική πρόβλεψη της διαμόρφωσης της ροής, συμβάλλοντας έτσι στη βελτίωση του σχεδιασμού και του βαθμού απόδοσης των μηχανών αυτών, σε αντίθεση με τις πειραματικές διαδικασίες, που έχουν μεγάλο κόστος τόσο από οικονομικής όσο και από χρονικής άποψης.Στόχος της Διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων και εργαλείων για τη μελέτη της ροής και της λειτουργίας υδροστροβίλου δράσης τύπου Pelton και η διερεύνηση των δυνατοτήτων περαιτέρω βελτίωσης της ενεργειακής του απόδοσης. Το κυριότερο αντικείμενο μελέτης αποτελεί η περίπτωση του στρεφόμενου δρομέα, που είναι το πιο περίπλοκο σχεδιαστικά μέρος του υδροστροβίλου και στο οποίο σημειώνονται οι μεγαλύτερες απώλειες ενέργειας. Η μελέτη του δρομέα Pelton έγινε αρχικά με αριθμητικές μεθόδους, καταλήγοντας σε συμπεράσματα τα οποία στη συνέχεια διερευνήθηκαν και επαληθεύτηκαν πειραματικά στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Υδροδυναμικών Μηχανών (ΕΥΜ) του ΕΜΠ. Επιπρόσθετα, σε μικρότερη έκταση και μόνο αριθμητικά, μοντελοποιήθηκε και διερευνήθηκε ο σχεδιασμός του εγχυτήρα του υδροστροβίλου Pelton.Η ροή στον δρομέα του υδροστροβίλου αρχικά διερευνήθηκε αριθμητικά με την Eulerian πλεγματική μέθοδο Volume of Fluid (VOF), χρησιμοποιώντας το εμπορικό λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής ANSYS-FLUENT. Η διαδικασία επίλυσης του προβλήματος και οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν μελετήθηκαν εκτενώς με στόχο τη μεγιστοποίηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων και την ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του υπολογιστικού κόστους. Επίσης, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μίας γεωμετρίας αναφοράς συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα μιας εναλλακτικής Eulerian πλεγματικής μεθόδου, της Homogeneous, δείχνοντας πολύ καλή συμφωνία και ενισχύοντας την αξιοπιστία τους. Όπως προέκυψε, η επίλυσης της πολύπλοκης μη-μόνιμης, διφασικής ροής με ελεύθερη επιφάνεια που διαμορφώνεται στο εσωτερικό του δρομέα μπορεί να επιτευχθεί με ικανοποιητική ακρίβεια. Όμως, ο υπολογιστικός χρόνος που απαιτείται είναι μεγάλος και απαγορευτικός για τη διενέργεια πλήρους πολυπαραμετρικής διαδικασίας βελτιστοποίησης, κατά την οποία απαιτείται πολύ μεγάλος αριθμός επιλύσεων.Η δραστική μείωση του υπολογιστικού χρόνου προσομοίωσης της ροής επιτεύχθηκε με την εφαρμογή και βελτίωση της καινοτόμου αριθμητικής μεθόδου, Fast Lagrangian Simulation (FLS), η οποία βασίζεται στην παρακολούθηση των τροχιών αντιπροσωπευτικών σωματιδίων ρευστού, χωρίς να απαιτείται η επίλυση των πλήρων εξισώσεων Navier-Stokes (N-S). Το μοντέλο αυτό έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο του EYM, αποτελεί μη-πλεγματική Lagrangian μέθοδο και στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής αναπτύχθηκε περαιτέρω, με σκοπό την αύξηση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων. Η διερεύνηση της μεθόδου βασίστηκε κυρίως στη σύγκριση με άλλες ακριβέστερες αριθμητικές μεθόδους και οδήγησε σε μια σειρά τροποποιήσεις, που βελτίωσαν σημαντικά την ακρίβειά της, αναφορικά με την πρόλεξη του υδραυλικού βαθμού απόδοσης του δρομέα. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε μια διαδικασία αριθμητικής βελτιστοποίησης της γεωμετρίας ενός δρομέα υδροστροβίλου Pelton, χρησιμοποιώντας τα αριθμητικά εργαλεία που προαναφέρθηκαν, με στόχο τη μεγιστοποίηση του υδραυλικού βαθμού απόδοσης. Η γεωμετρία αναφοράς του δρομέα που χρησιμοποιήθηκε προέκυψε από τη διαθέσιμη βιβλιογραφία και συνεπώς διέφερε σημαντικά από τη βέλτιστη. Έτσι, σε πρώτο στάδιο χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο FLS και εφαρμόστηκε πολυπαραμετρική βελτιστοποίηση της γεωμετρίας με τη βοήθεια του γενικού λογισμικού βελτιστοποίησης EΑSY, που έχει αναπτυχθεί από τη μονάδα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και βελτιστοποίησης του εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών ΕΜΠ. Για την ολοκλήρωση της διαδικασίας αυτής απαιτείται η επίλυση της ροής σε χιλιάδες διαφορετικές γεωμετρίες δρομέων, που επιτυγχάνεται χάρη στην ταχύτητα της μεθόδου FLS, η οποία επιλύει τη ροή σε λίγα μόνο δευτερόλεπτα σε έναν σύγχρονο προσωπικό υπολογιστή. Σε δεύτερο στάδιο χρησιμοποιήθηκε η ακριβέστερη μέθοδος VOF, με αρχική γεωμετρία αναφοράς αυτή που προέκυψε από τη βελτιστοποίηση με τη μέθοδο FLS. Η γεωμετρία του δρομέα παραμετροποιήθηκε κατάλληλα και βελτιστοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μέθοδο σχεδιασμού αριθμητικών πειραμάτων, ενώ μελετήθηκε ξεχωριστά και η επίδραση κάθε γεωμετρικής παραμέτρου στον βαθμό απόδοσης του δρομέα.Ο δρομέας βελτιωμένου σχεδιασμού που προέκυψε από την παραπάνω διαδικασία κατασκευάστηκε και τοποθετήθηκε σε πειραματική εγκατάσταση του ΕΥΜ. Με στόχο την ακριβέστερη και πιο αξιόπιστη μέτρηση του βαθμού απόδοσης του υδροστροβίλου έγινε αναβάθμιση της εργαστηριακής εγκατάστασης και τα μετρητικά όργανα βαθμονομήθηκαν σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα. Αρχικά, μετρήθηκε ο ολικός βαθμός απόδοσης του υδροστροβίλου σε όλο το εύρος λειτουργίας ενός παλαιού δρομέα του οποίου η γεωμετρία ήταν όμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε ως αναφορά στην αριθμητική βελτιστοποίηση. Στη συνέχεια, οι μετρήσεις επαναλήφθηκαν για την περίπτωση του νέου δρομέα, τα αποτελέσματα του οποίου έδειξαν μια πολύ σημαντική αύξηση του βαθμού απόδοσης, της τάξης του 6%, σε συμφωνία με τα αριθμητικά αποτελέσματα. Επίσης, σε πειραματικό επίπεδο διερευνήθηκαν διάφορες τροποποιήσεις της εσωτερικής γεωμετρίας του κελύφους του υδροστροβίλου, με στόχο τη μείωση των απωλειών που οφείλονται στην ανακυκλοφορία της ανακλώμενης ροής στα τοιχώματα, μετά την έξοδο από τον δρομέα. Τέλος, διερευνήθηκε η περίπτωση του εγχυτήρα του υδροστροβίλου Pelton, ο σχεδιασμός και κατασκευή του οποίου είναι παρόμοια και σε υδροστροβίλους δράσης τύπου Turgo. Η μελέτη της ροής έγινε με την Eulerian πλεγματική μέθοδο VOF, μοντελοποιώντας κατ’ αρχάς το τελευταίο τμήμα του εγχυτήρα, όπου παρατηρείται σχεδόν το σύνολο των υδραυλικών απωλειών. Η γεωμετρία του τμήματος αυτού παραμετροποιήθηκε και βελτιστοποιήθηκε για διάφορες συνθήκες λειτουργίας, χρησιμοποιώντας μέθοδο σχεδιασμού αριθμητικών πειραμάτων. Όπως προέκυψε, ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται έντονα από το σημείο λειτουργίας και μπορεί με κατάλληλο σχεδιασμό να περιοριστεί από 2% για πολύ μικρές παροχές ως 0.5% για πλήρες άνοιγμα. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αγωγού προσαγωγής ανάντη του εγχυτήρα, και πιο συγκεκριμένα, της τελικής γωνίας στροφής του και των πτερυγίων στήριξης της βελόνης του στομίου. Όπως προέκυψε, με κατάλληλο σχεδιασμό του εγχυτήρα, ο σχηματισμός των δευτερευουσών ροών δεν αυξάνει ιδιαίτερα τις απώλειες του εγχυτήρα.Μέρος της παρούσας Διατριβής (περίπου ένα έτος) εκπονήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Lancaster, στο πλαίσιο του προγράμματος Erasmus και της ερευνητικής συνεργασίας που έχει το ΕΥΜ του ΕΜΠ με το Renewable Energy Group στο Engineering Department.