Bessere Analysewerkzeuge für Wasserkraftturbomaschinen und Schiffspropeller
Für die Auslegung von hydraulischen Anlagen für Wasserkraftprojekte wird heute allgemein numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) eingesetzt. Einst das Spezialwerkzeug der Luft- und Raumfahrtindustrie, ist die numerische Strömungsmechanik heute ein unverzichtbares Werkzeug zur Leistungssteigerung und Kostensenkung von hydraulischen Maschinen. Ihre Anwendung geht über das Turbinendesign hinaus, um auch hydraulische Betriebsprobleme an bestehenden Maschinen zu erkennen und zu identifizieren. Das EU-finanzierte Projekt ACCUSIM wurde ins Leben gerufen, um zuverlässige numerische Werkzeuge und Methoden zur detaillierten Analyse turbulenter Strömungen zu entwickeln, die den Entwurf leistungsfähiger hydraulischer Maschinen und Schiffspropeller erleichtern. „Die numerische Modellierung und Strömungsanalyse von Wasserturbinen, Pumpen und Schiffspropellern bietet ein Mittel, um die Ursache des Problems zu identifizieren und Alternativen zu entwickeln, durch die die Anzahl der hergestellten Laufräder in Modellgröße reduziert und so die Leistungsprüfung von hydraulischen Maschinen billiger wird“, erklärt Dr. Aljaž Škerlavaj, Projektkoordinator. Fortschrittliche Modellierung von rotierenden Maschinen In den letzten 15 Jahren hat die Entwicklung effektiver und leicht anwendbarer numerischer Methoden für Strömungssimulationen deutlich zugenommen. Strömungsanalysemodelle von rotierenden und nicht rotierenden Turbinenteilen sowie leistungsfähigere Rechenplattformen ermöglichten eine gekoppelte Analyse der gesamten Turbine in angemessener Zeit. Durch fortschrittliche Turbulenzmodelle von instationären Strömungen konnten die Forscher numerische Vorhersagen erhalten, die eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen zeigen. Während moderne Simulationen hauptsächlich auf Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Turbulenzmodellen beruhen, werden bestimmte Strömungsklassen besser durch Modelle abgedeckt, die einen Teil des Turbulenzspektrums zumindest in einem Teil des numerischen Strömungsbereichs auflösen. Solche Methoden werden als skalenauflösende Simulationsmodelle bezeichnet. Die Projektforscher konzentrierten sich insbesondere auf die Modellierung instationärer turbulenter Strömungen und Kavitationseffekte in Francis-Turbinen und Axial-Turbinen mittels maßstabsgerechter Turbulenzmodelle. Bisher wurde die Auslegung dieser Turbinen mit stationären Simulationen durchgeführt, da transiente Simulationen einen erheblichen Rechenaufwand erfordern. Kavitationsphänomene beziehen sich auf die Bildung von Dampfhohlräumen in flüssigen Bereichen mit niedrigem Druck. In Propellern und Pumpen verursacht Kavitation viel Lärm, Schäden, Vibrationen und Wirkungsgradverluste. Die Anwendung von kalibrierten Kavitationsmodellen war für die genaue Vorhersage der Kavitationsströmung in Wasserturbinen und Schiffspropellern entscheidend. Verbreitungsmaßnahmen Das ACCUSIM-Team nahm an zwei Testfall-Workshops teil. Bei dem ersten handelte es sich um einen Workshop über die Vorhersage von Kavitation und Propellerleistung in der Schrägströmung. Die Forscher erhielten Zugang zur Geometrie und zu den notwendigen Ausgangs- und Randbedingungen. Bei dem zweiten handelte es sich um den ersten in einer Serie von drei Workshops, in denen Forscher an offenen Experimenten teilnahmen. Den Forschern wurde der komplette Datensatz für die Auslegung einer Francis-Turbine zur Verfügung gestellt. Der erste Workshop konzentrierte sich auf die Modellierung des stationären Betriebs der Turbine, während sich die beiden anderen auf transiente Betriebszustände wie Lastschwankungen, Start-Stopp sowie die Fluid-Struktur-Wechselwirkung fokussierten. Mithilfe von universellen CFD-Codes wie ANSYS CFX und OpenFOAM gelang es dem Projektteam, in beiden Workshops einen der genauesten Simulationsdatensätze zu generieren – für den Propeller hinsichtlich des Kavitationsverhaltens und Propellerschubs, für die Turbine hinsichtlich des Wirkungsgrads, der Druckhöhe, des Massendurchsatzes und des Drehmoments. Die Ergebnisse von ACCUSIM wurden über zahlreiche Publikationen für die wissenschaftliche Gemeinschaft verbreitet. Vorträge an Schulen, Tutorien, Konferenzen und Sommerschulen wurden genutzt, um die Öffentlichkeit zu erreichen. Die Projektwebsite enthält weitere Informationen.
Schlüsselbegriffe
ACCUSIM, numerische Strömungsmechanik, Wasserturbine, skalenauflösende Simulation, ANSYS CFX, OpenFOAM
