Lepsze narzędzia analityczne dla turbin wodnych i śmigieł okrętowych
Obliczeniowa dynamika płynów (CFD) jest obecnie szeroko stosowana w projektowaniu urządzeń hydraulicznych dla energetyki wodnej. Kiedyś specjalistyczne narzędzie przemysłu lotniczego i kosmonautycznego, CFD jest obecnie nieodzowne dla zwiększania wydajności i redukcji kosztów maszyn hydraulicznych. Zastosowanie CFD wykracza poza konstrukcję turbin, umożliwiając wykrywanie problemów eksploatacyjnych w istniejących maszynach hydraulicznych. Finansowany ze środków UE projekt ACCUSIM powstał w celu opracowania niezawodnych narzędzi i metod numerycznych do szczegółowej analizy przepływów burzliwych, aby ułatwić projektowanie wydajnych maszyn wodnych i śmigieł okrętowych. „Modelowanie numeryczne i analiza przepływu w turbinach wodnych, pompach i śmigłach napędowych stanowi sposób na zidentyfikowanie przyczyny problemu i opracowanie alternatywnych rozwiązań, zmniejszając liczbę produkowanych wirników o rozmiarze modelowym, a tym samym obniżając koszty testowania wydajności maszyn”, zauważa dr Aljaž Škerlavaj, koordynator projektu. Zaawansowane modelowanie maszyn obrotowych W ciągu ostatnich 15 lat znacznie zwiększyła się liczba skutecznych i łatwych w użyciu metod numerycznych symulacji przepływu. Modele analizy przepływu wirujących i nieobracających się części turbin wraz z wydajniejszymi platformami obliczeniowymi umożliwiły analizę całej turbiny w rozsądnym czasie. Zaawansowane modele burzliwych przepływów niestabilnych pozwoliły badaczom uzyskać prognozy liczbowe, które wykazują dobrą zgodność z wynikami eksperymentalnymi. Podczas gdy najnowocześniejsze symulacje CFD opierają się głównie na równaniach Naviera-Stokesa z uśrednieniem Reynoldsa, w przypadku niektórych klas przepływów lepiej jest stosować modele, które uwzględniają część spektrum turbulencji w co najmniej części obszaru numerycznego przepływu. Metody takie określa się mianem modeli SRS (Scale Resolving Simulation). Badacze projektu skupili się w szczególności na modelowaniu niestabilnych przepływów burzliwych i efektów kawitacji w turbinach Francisa i turbinach osiowych za pomocą modeli SRS turbulencji. Do tej pory do projektowania tych turbin wykorzystywano symulacje stanów ustalonych, ponieważ symulacje stanów nieustalonych wymagają znacznego wysiłku obliczeniowego. Zjawiska kawitacji dotyczą tworzenia się wnęk pary w rejonach ciekłych, w których ciśnienie jest niskie. W śrubach napędowych i pompach, kawitacja powoduje duży hałas, uszkodzenia, wibracje oraz utratę wydajności. Zastosowanie skalibrowanych modeli kawitacji miało kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnych prognoz przepływu kawitacji w turbinach hydraulicznych i śrubach okrętowych. Działania w zakresie rozpowszechniania informacji Zespół ACCUSIM wziął udział w dwóch warsztatach testowych. Pierwszym z nich był warsztat na temat przewidywania kawitacji i wydajności śmigła w przepływie skośnym. Naukowcy mieli dostęp do geometrii oraz niezbędnych warunków początkowych i granicznych. Drugi warsztat był pierwszym z serii trzech warsztatów, w których naukowcy wzięli udział w ramach eksperymentów otwartych. Badacze uzyskali dostęp do kompletnego zbioru danych do projektu turbiny Francisa. Pierwszy warsztat koncentrował się na modelowaniu pracy turbiny w stanie ustalonym, natomiast pozostałe dwa dotyczyły warunków pracy w warunkach nieustalonych, takich jak zmiany obciążenia, zatrzymanie rozruchu oraz interakcja pomiędzy cieczą a strukturą. Dzięki zastosowaniu uniwersalnych kodów CFD, takich jak ANSYS CFX i OpenFOAM, zespołowi udało się wygenerować jedne z najdokładniejszych danych symulacyjnych w obu warsztatach – dla śruby w odniesieniu do kształtu przekroju kawitacyjnego i ciągu śruby, natomiast dla turbiny w odniesieniu do sprawności, głowicy hydraulicznej, masowego natężenia przepływu i przewidywań momentu obrotowego. Rezultaty osiągnięte przez zespół ACCUSIM były rozpowszechniane w wielu publikacjach skierowanych do środowiska naukowego. W celu dotarcia do szerokiej publiczności wykorzystano wykłady w szkołach, szkolenia, konferencje i szkoły letnie. Szczegółowe informacje dostępne są na stronie internetowej projektu.
Słowa kluczowe
ACCUSIM, obliczeniowa dynamika płynów (CFD), turbina, scale-resolving simulation, ANSYS CFX, OpenFOAM
