Migliori strumenti di analisi per le turbomacchine nel campo dell’energia idraulica e per le eliche marine
La fluidodinamica computazionale attualmente è molto utilizzata per progettare attrezzature idrauliche nel settore dell’energia idroelettrica. Questo metodo di analisi, un tempo strumento specialistico dell’industria aerospaziale, è ora indispensabile per incrementare le prestazioni e ridurre i costi delle macchine idrauliche. L’applicazione della fluidodinamica computazionale va oltre la semplice progettazione delle turbine, rivelando e identificando anche problemi idraulici di funzionamento nelle macchine esistenti. Il progetto ACCUSIM, finanziato dall’UE, è stato ideato per sviluppare strumenti e metodi numerici affidabili per l’analisi dettagliata di flussi turbolenti, al fine di facilitare la progettazione di potenti macchine idrauliche ed eliche marine. «La modellazione numerica e l’analisi dei flussi di turbine idrauliche, pompe ed eliche marine forniscono un mezzo per identificare la causa del problema e sviluppare alternative, riducendo il numero di rotori delle dimensioni del modello fabbricati e rendendo così meno costosa la verifica delle prestazioni delle macchine idrauliche», fa notare il dottor Aljaž Škerlavaj, coordinatore del progetto. Modellazione avanzata di macchine rotanti Nel corso degli ultimi 15 anni, si è assistito a un notevole incremento nello sviluppo di metodi numerici efficaci e facilmente applicabili per le simulazioni dei flussi. Modelli di analisi dei flussi di parti rotanti e non rotanti delle turbine, in aggiunta a piattaforme di calcolo più potenti, hanno permesso l’analisi accoppiata della turbina nel suo insieme in un tempo accettabile. Modelli turbolenti avanzati di flussi non stazionari hanno consentito ai ricercatori di ottenere previsioni numeriche che mostrano una buona corrispondenza con i risultati sperimentali. Mentre le simulazioni di fluidodinamica computazionale all’avanguardia fanno affidamento soprattutto su modelli di turbolenza di Navier-Stokes mediati secondo Reynolds, alcune classi di flussi sono analizzate meglio con modelli che risolvono parte dello spettro di turbolenza almeno in una porzione del dominio del flusso numerico. Tali metodi sono chiamati modelli di simulazione risolutivi della scala. I ricercatori responsabili del progetto si sono concentrati in particolare sulla modellazione di flussi turbolenti non stazionari ed effetti di cavitazione in turbine Francis e turbine assiali utilizzando i modelli di turbolenza risolutivi della scala. La progettazione di queste turbine era stata finora affrontata con simulazioni in regime stazionario, dato che le simulazioni transienti richiedono un notevole sforzo computazionale. Con fenomeni di cavitazione ci si riferisce alla formazione di cavità di vapore in regioni liquide dove la pressione è bassa. Nelle eliche e nelle pompe, la cavitazione causa molto rumore, danni, vibrazioni e perdita di efficienza. L’applicazione di modelli di cavitazione calibrati è stata fondamentale per ottenere previsioni accurate del flusso cavitante in turbine idrauliche ed eliche marine. Attività divulgative Il gruppo di ACCUSIM ha partecipato a due workshop sui metodi di prova. Il primo riguardava la previsione della cavitazione e delle prestazioni dell’elica nel flusso obliquo. Ai ricercatori è stato dato accesso alla geometria e alle necessarie condizioni iniziali e limite. Il secondo workshop è stato il primo di una serie di tre in cui i ricercatori hanno preso parte a esperimenti in aperto. Ai ricercatori è stato dato accesso al set di dati completo per la progettazione di una turbina Francis. Il primo workshop si è concentrato sulla modellazione del funzionamento in regime stazionario della turbina, mentre gli altri due hanno esaminato condizioni transienti di funzionamento, come ad esempio variazioni del carico e start-stop, e l’interazione fluido-struttura. Utilizzando codici di fluidodinamica computazionale universali, come ad esempio ANSYS CFX e OpenFOAM, il gruppo di ricerca è riuscito a generare dati di simulazione tra i più accurati in entrambi i workshop – per l’elica riguardo alla forma dello schema di cavitazione e alla spinta dell’elica, mentre per la turbina riguardo a previsioni di efficienza, carico idraulico, portata in massa di fluido e momento torcente. I risultati di ACCUSIM sono stati disseminati attraverso molte pubblicazioni rivolte alla comunità scientifica. Per raggiungere il grande pubblico si sono tenuti conferenze presso le scuole, lezioni di gruppo, congressi e scuole estive. Il sito web del progetto contiene maggiori informazioni.
Parole chiave
ACCUSIM, fluidodinamica computazionale, turbina idraulica, simulazione risolutiva della scala, ANSYS CFX, OpenFOAM
