设计、建模和微观水力水斗式水轮机流道CFD分析:对选定的情况下网站在埃塞俄比亚

文摘

本文地址的设计、建模和性能分析的水斗式水轮机利用CFD的所选微水电潜力网站在埃塞俄比亚来满足能源需求的要求。这个网站有净头47.5米和0.14米的流量³/ s。的设计过程从设计初始维度跑步者基于不同的文献和指向桶使用CATIA V5的建模。跑步者一直在ANSYS分析的性能排名(CFD)在给定的加载条件下的涡轮机。因此,本研究也雄心减少跑步者有成本效益的大小流道设计。本文中描述的案例研究提供了一个示例的涡轮机的大小如何影响涡轮的效率。这是详细讨论这有助于理解底层的流体动力学设计问题作为改善的援助为未来的研究效率和降低生产成本。结果表明,模型是高度依赖的大小,这是验证和讨论正确使用计算流场的流动显示和发布结果。

1。介绍

尽管许多农村社区有良好的访问大量的水资源,埃塞俄比亚这样的国家所面临的最严重的问题是农村电气化。最重要的一个发电和可实现的方法是引入一个独立发电,使用可再生资源。农村电气化基金(REF)的水,灌溉和能源(MWIE),正在努力控制这个国家的能源危机(1- - - - - -3]。的努力,它已经确定了一些潜在的微水电网站。这个小型水力发电潜力估计潜在总数的10%(1500 - 3000兆瓦)(3,4]。到目前为止,从总微型水力发电潜力(mhp)在该国(超过1000兆瓦)只有一分钟的部分(少于1%)开发(4]。如果这些水资源合理利用,它将帮助埃塞俄比亚满足电力需求和维护她对未来十年的经济增长。由于这些众多网站的存在在埃塞俄比亚,适合微水轮机安装,需要开发的微型水力涡轮机使用本地可用的材料和与当地制造能力已被确认为这些网站已被评估和证明是可行的,目的是降低设备成本,从不同的国家进口来自欧洲和亚洲。因此,微水电的发展国家的未来需要制造商提供涡轮机和部分与新设计。

图1显示了一些民族主义者行动党(MHP)地区。这些地区主要集中在西部和西南部的国家和他们的特点是高平均年降雨量300毫米到900毫米不等。许多这些网站,水斗式水轮机是唯一的选择。这是由于更高的山峰提供更高的头和季节性变化在流速适合选择水斗式发电机为水力发电项目的国家(4- - - - - -6]。

根据水流和设计,水斗式车轮与正面操作最好从15米到1800米,虽然没有理论极限。在这个涡轮,水通过喷嘴的压力管,和涉及到涡轮壳。然后针对飞机轮子,或跑步,周围有很多桶边。飞机在这轮的力量使它转身给了输出功率(7- - - - - -9]。然而,调查显示,没有公司或机构从事提供这个微水斗式水轮机在本地。因此,设计和制造的必要性和可能性本地水斗式涡轮机正在增加。更多的材料和熟练工人和技术人员可用但缺失的是什么信息,知道4,6]。

更准确地说,在新的背景下,收获小水电潜力可以成为经济上可行的,还有一个需要提供解决方案,以减少设计周期时间和成本水斗式的跑步者。众所周知,需求增加,涡轮的性能分析效率和动态行为等也是一个重要的方面分析其适用性在不同操作条件下(7]。此外,它是使用的涡轮机生产商保证水轮机的水力性能给客户。然而,众所周知,水斗式水轮机的设计主要是进行技术和广泛的实验测试,提供实证对涡轮设计至关重要的因素的理解。但是,涡轮在当今高度竞争的市场,性能通常很难确定在短期内这一传统。因此,将计算流体动力学(CFD)的微型水力发电机的设计似乎是必要的,以提高他们的效率和成本效益超出了传统设计实践(7,10- - - - - -12]。

调查的主要话题CFD方法都集中在飞机之间的交互和旋转桶桶内的相对流动。这些流动是迄今为止不容易通过实验测量11]。CFD模拟因此可能被认为是一个可用的方法为研究复杂流在水斗式涡轮机,前提是他们是可靠的,能够揭示的可能性提高系统效率和降低了生产成本。此外,CFD提供深入了解的流动机制控制性能。最详细的CFD分析的旋转水斗式水轮机是由Perrig et al。13,14)通过考虑5桶,计算结果与实验结果相比,在最佳效率点(cep)。

张(解释的7]在水斗式水轮机的书中,水轮机水力设计,相关实践经验因此总是除了应用一般设计规则发挥着重要作用。甚至最优桶数量和大小的水斗式轮,例如,确定只有通过经验或模型试验不依赖任何水力机械背景。主要原因是复杂的流条件高速飞机和高速射流不稳定之间的交互和旋转水斗式桶(7,11]。但现在,最多的出版物在水斗式涡轮机使用的商业软件ANSYS建模排名(7,10,14]。解决复杂的冲动式汽轮机相关问题的能力,包括多相流与自由表面已被大量研究证明和正变得越来越重要10- - - - - -18]。然而,大型模拟的计算成本也是主要因素为什么缺乏出版物水斗式涡轮机(CFD使用情况11]。结果,不同的作者做了不同的简化假设,以尽可能地降低这个成本,使水斗式模拟性能预测成为可能。CFD模拟在文献回顾的大多数是假设对称流动的简化假设,因此他们模型只有一半的跑步者或一桶。因为周期性的行为假设,也只有一小部分使用的大多数模拟跑步的桶数部分建模是2,3,5,7,甚至10 [11]。许多作者只用连续3桶,桶上的扭矩测量只在中间。这个扭矩测量在一个中间桶被用来构造上的扭矩跑步者假设每个桶都接受相同的加载(10,11]。生产所需的第一桶是back-splashing中间桶水影响。第三桶是需要实际减少飞机时影响第二个桶。尽管,表明有可能模型完整的运动员;这可能被视为不必要的计算资源的使用。例如,使用相同的计算资源和降低复杂性模拟只有3桶将允许更好的模拟离散网格(因此提高精度)或分析更多的操作点或设计变化,使水轮机的优化(见[11,13,14])。

到目前为止,很少有研究者只报道不同值的最大效率如表所示1。由于商业性的涡轮机,许多调查人员规范化结果在他们的出版物。大多数报纸报道,效率曲线的形状也被俘,而实际测量和数值预测效率之间的差异仍然报道。(是一个例外10,19- - - - - -21),预测效率相当接近测量。更少更深入的设计和性能分析汽轮机。

由于结果的自然限制有关出版关于发电机从商业公司,这个研究论文的目标之一,是设计和模拟使用水斗式水轮机和比较获得的结果与参考表1。结果在表1可能也依赖于实验室设置和其他控件的设计参数;结果还表明进一步的性能改进的余地。尽管这是一个行之有效的涡轮技术,对设计和优化有许多悬而未决的问题。因此,今天的进一步发展仍然是相关的。作为一个主要特征,先前的研究主要集中在实验研究涡轮效率的桶的不同几何参数的函数。没有纸,由设计分析、建模、数值旋转水斗式水轮机转轮的性能分析,及其与实验数据的比较来减少的大小涡轮发表据我们所知。因此,设计研究,考虑运动员的大小之间的联系和流场特性是必要的。本文解决了这个问题的选择潜力网站(马达加斯加河)在埃塞俄比亚,以满足能源需求的要求。连续阶段的设计过程包括:参数化设计的涡轮机,CFD模拟涡轮的基线设计和一个较小的规模从基线设计。这项研究的结果将是一个输入的优化运动员未来的研究。 In this way, a study was carried on Pelton turbine runner specifically designed and the result of this research was compared with that of Table1(结果)出版。在本文的第二部分,优化的几何涡轮,当地制造业的最优几何涡轮在实验室和测试,最后将呈现比较的结果。本研究的结果也将确保可用性的记录过程贡献知识设计微水电水斗式水轮机。最重要的是,一般的意识和技术的理解成功的微水轮机技术将发达国家和促进了在当地和地区层面,农村电气化项目可以有效地实现。

2。方法和方法论

2.1。问题描述

后测量不同的村庄在埃塞俄比亚的西南地区,我们缩小了我们的选择:Melkey Herra村庄。它是一个农村社区、Keble从亚的斯亚贝巴约149公里,是著名的旅游。其地理坐标是08年40°51′′′北部和37°45 10′′′东没有电。选中的水资源水电代“马达加斯加河”的社区生活在村庄,叫做“Melkey Herra”(22]。微水电项目是社区的主要重点。由于最近的危机在社区的电力,这是最大限度利用微水电的必要性。数据(表2)被发现从主数据和辅助数据收集。

2.2。所涉及的步骤设计的涡轮

最初的设计开始,将进行计算以大小涡轮部件。这些主要来自背后的理论“Thake[微水电水斗式水轮机手册,6)”。不同的假设是在设计过程中使用的设计指南和文学。

2.2.1。计算净头()

喷嘴出口的净头可以由以下公式来表达(6]: 在哪里总头吗总压头损失由于明渠,拦污栅,摄入量,水门和门或阀门。这些损失约等于头生产总值(gdp)的5% (6]。这使得净头可用的水门50米−2.5米= 47.5米。

2.2.2。选择涡轮

该网站数据头,50米,流量140升/秒(从表组合2),主要是水斗式之间的选择是必要的和交叉流动情况如图2。图显示了近似应用范围的微型水力发电机。因此,这个图表可以用于涡轮式的选择。突出显示的区域在实线显示了水斗式跑步一个指示性的操作用于这个研究论文。

2.2.3。计算的射流直径()

底部的压力的压力创建一个喷射水的速度, 在哪里喷射速度(米/秒),是喷嘴速度系数(通常在吗0.95来0.99),是净头喷嘴。流量然后由这个速度乘飞机的横截面积: 在哪里许多飞机和吗是飞机的直径(米)

结合(2)和(3),使用平均值为0.97 ,然后解决就变成了 涡轮设计过程的下一步是确定节圆直径(PCD)的涡轮机。

2.2.4。跑步者圆直径的计算(PCD)

图3显示了一个示意图与节圆直径水斗式的跑步者(= 2)旋转角速度 。

从导出的公式来确定涡轮速度可以表示为 在哪里或纤毛运动节圆直径(m)跑步的速度比飞机速度( 是用于生产的最大功率汽轮机)[6]。旋转速度的跑步者(rpm)。代替 ,从(2),用 ,(2)成为

准备一个电子表格,如表所示3确定涡轮速度和纤毛运动。

从表3所有的皮带传动齿轮比是可能的。从结果表3,流道直径350毫米和425毫米4-jet 3-jet涡轮机,分别有较小的节圆直径。然而,这些权力的涡轮机制造非常复杂,需要相当的专业知识,这可能不是一个选项6]。单喷射的解决方案是可能的,但一个700毫米纤毛运动跑步使一个很大的涡轮机。最好的解决方案是500毫米,2-jet涡轮机。因此,我们可以把PCD 500毫米在我们的设计分析。估计最终系统输出功率、效率值喷嘴,汽轮机,发电机可以认为。Thake [6提供合理的值。表4显示的值认为这项研究的效率。

方程的不同设计参数用于确定轮收集表5。

2.2.5。细节桶几何设计

图4桶的尺寸显示为百分数PCD的涡轮机。像改变基本水桶模型中的PCD值模型允许它了(6]。桶的物理尺寸选择的网站数据基于实证关系500毫米纤毛运动如表所示6在这份报告中用于建模的桶。

基本干加工,用于螺栓或夹紧桶的中心,如图5。螺栓桶是一个理想的解决方案(中讨论这个研究和选择6]。

从上述计算参数表6使用数据和一些标准参数4和5桶的建模,使用CATIA V5软件如图6(一)。通过定义指定的桶设计的轮廓桶使用给定的尺寸数据4和5。

基本整个桶桶模型适应形式的使用模式。Two-disc板被用来挂载桶圆,如图6 (b)。光盘是三明治的桶。

3所示。计算分析

为选定的Melkey Herra微型水力发电的网站,因此选择水斗式水轮机是最适合我们的数值性能分析。涡轮的主要尺寸检查对应这理想的植物。数值方法中创建本节包括许多数值和物理假设简化问题。这是必要的,因为精确建模的脉冲发电机(在这种情况下水斗式),包括自由表面流等复杂现象,multifluid交互,旋转参照系中,不稳定的与时间有关的流动是一个挑战从计算成本的角度10- - - - - -18]。

3.1。物理假设和按比例缩小

计算域创建删除功能,被认为没有或轻微影响当比较流道设计如下。以下是一些简化假设的分析。

没有外壳。建模的水斗式水轮机没有套管,类似的方法可以在文献中找到(10,11]。

对称。降低计算成本,水桶,喷嘴,喷水在对称轴(切成两半10,11]。

单一的飞机。只有单一的飞机操作建模被发现在大多数出版物审查的部分(10,11]。

没有中心。不会与任何其他交互流的一部分运动员除了桶。因此,没有必要包括中心到CFD模型,建议在文献[10,11,13]。

周期性的转矩。跑三桶足以重建完整的扭矩和使用也在这个研究[10,11]。

“相似”。相似在一般意义上是一个已知的信号模型和原型之间的关系。方程(7)代表头系数、流量系数和功率系数模型研究[10]。为了实现模型和原型之间的相似行为,所有相应的条款必须把模型和原型之间。模型是假定的值相同速度比率,流动比率,和特定的速度。

按比例缩小。按比例缩小的原型也很重要,以减少时间消耗和缓解计算处理正常的电脑。基于上述考虑,0.53的比例因子是用于满足最低铲斗宽度标准模型测试,和雷诺数也需要大于2×10⁶。这是基于国际标准IEC 60193国际电工委员会适用于实验室的测试模型涡轮(10,23]。在这个标准,因子大于0.28发现满足IEC 60193标准水斗式涡轮机。

表7显示了原型和模型具有相同的值520 rpm的速度。

3.2。计算域创建

图7描述了完整的CAD图纸的旋转和静止域分开建模,装配来表达他们的相对初始位置。静止域包含进口的半圆柱和一枚戒指来适应两个域之间的一个接口。

想象旋转域图7与静止域。当旋转域离开这个位置,另一个相同的域介绍了顶部(相同的几何)。因此,实现连续模拟跑步的11]。

3.3。啮合

图8显示固定和旋转域网状导入CFX-Pre。建议在文献[10,19),非结构化四面体元素被用于旋转域啮合因为更复杂的几何被网也允许自动为所有即将到来的啮合几何修改。为了确定所需的最小网格大小或网格分辨率解决边界层和平均流量特性,研究网格独立性。这允许最小化错误和预测结果的不确定性,例如,跑步者输出功率或效率。因此,网格收敛性分析进行了考虑输出功率(在本研究通过监测扭矩)作为参数的重大利益。网格独立研究的结果提出了部分3.6。

3.4。物理与ANSYS预处理设置

在本节中,提出了ANSYS前设置的必需品。

分析类型。在每个“流分析”在ANSYS前有一个选项卡“分析类型。“这是其中一个定义是否模拟瞬态或稳态,控制仿真时间和时间的步骤。在这种情况下,瞬态选项被选中。间隔的时间步骤只解决计算流参数瞬态分析。时间步长是1/20总时间,对应于0.001714秒捕捉每旋转20时间框架。

多相模型。通过压力管道流是只有单相流体。喷嘴的喷水出来,直接释放到大气中,自由喷水的效果将进入画面。这个流经过运动员桶,这将是一个自由表面流。这个自由表面流流过内表面的水桶,动量转移发生。流离开运动员桶将转化成液体分散水滴叶子从桶接触。这种方式通过水轮机在本质上是多相流与文献[协议10,11,13,14]。准确捕捉流、同质多相分析执行在这个研究。

水的体积分数。文献[所显示5),水的体积分数应该改变从0到1。在每个控制单元,水和空气的体积分数之和为1, 。然后 表示电池充满空气,虽然 表示细胞注满水 表示细胞包含水和空气之间的一个接口。在模拟的开始,领域充满空气为0 m / s的速度。因此,给定的初始条件是0 m / s的速度和0 Pa相对压力。最初的水体积分数为0和初始空气体积分数是1。

湍流模型。剪切应力湍流(SST)模型能够捕捉湍流尺度流在高剪切应力区域(10,11]。所以SST湍流模型选择进一步模拟。

域接口。固定和旋转域之间的接口类型是油(10,11]。这种类型是通用接口模型连接和瞬时转子定子选项被选为帧改变/混合模型。螺距比维护域接口之间的值1,维护平等的区域在界面区域。应用旋转旋转域、域旋转域设置为旋转运动,和角速度ω表达式定义的”。”在这种情况下,角速度是-因为域建模-旋转方向的旋转设在。该方法还发现在文献[10,11,14]。

旋转域边界条件。本节包含一系列边界条件。没有边界的出口在旋转域定义。相反,开放类型定义边界条件。桶表面由墙类型定义边界条件和一个接口类型边界条件在旋转和静止域之间的接口。其他剩余的边界被定义为开放类型,因为它是不可预测的实际出口和流型的流体通过跑步者。的概述边界条件可以在图中找到9。

解算器控制和输出。所选的平流方案是根据排名高分辨率建模指南。这给了良好的鲁棒性和准确性之间的妥协。二阶向后欧拉选项被选为临时方案,因为它通常是建议对大多数瞬态运行在中国只5,10,11,13,14]。

监控分。仿真的主要输出是总转矩对中产桶。一个监视器的表达式“转矩中间斗墙”添加记录扭矩,使它可以在模拟监控扭矩。计算转矩数据中间桶从仿真中提取使用一个内置的转矩函数应用于命名选择创建的区域中间桶。这个函数然后绘制作为监督点,同时模拟运行时,允许在每个时间步长计算转矩是出口。

表达式。定义表达式是一个很好的方式,简化一个CFD的例子。表达式表8用于设置。这种方式定义表达式也可以发现在文献[5,11]。

3.5。结果和讨论

一般的规则,一个小运动员比较大的一个便宜。需要更少的材料铸造,住房和相关组件还可以更小。出于这个原因,减少PCD的后果(= 400毫米)从基线设计(PCD = 500毫米)进行计算和结果比较与那些发表的Panthee et al。10)和Panagiotopoulos et al。19),分别。水斗式水轮机的几何特征模型用于研究对应于一个水斗式水轮机安装在Khimti水电在尼泊尔10和雅典国立技术大学19),分别。发电厂的PCD模型的跑步者是400毫米,轴是水平有两个注射器。

接下来,涡轮的流的可视化桶在这项研究中可以看到在图10。

见数据10和11,只有非常少量的“泄露”水存在下桶底部喷射速度较低。这些可视化提供良好的信息流动模式。来自喷嘴的流线进入跑步,打桶和飞机划分成三个部分(数据10和11)。首先,从飞机的底部接触部分的内外桶顶部靠近喷嘴。第二部分是飞机的中间,这下一个中间桶。最后,其余部分的飞机进入后者桶。表面和侧面图10流的,人们可以观察到部分逃离桶的断路以及横向片流。

它可以观察到图上12的最大压力点,红色,对应于桶底部的PCD和中间的桶与撞击射流的轴线。类似的发现在文献[10]。

见图13减少到400毫米纤毛运动时,大量的水没有离开桶,造成严重后果的背后桶,从某些地方的公允价值变化冲击的减少值随着水向外(图13 (b))。然而,有少量的水流,通过与高速度没有被利用的断路(排气阀泄漏)。这种现象必须减少在优化阶段。

水不均匀分布在细胞的水桶,有几个地方积累高体积分数的水,在桶底部图最明显14。这个水的体积分数随时间的桶旋转。这发生在飞机的部分是要离开完全从底部桶和完全进入下一个顶部和间接桶。分别为红色和蓝色区域显示,水和空气在计算域。在一个更复杂的情况下,表面的大气也施加压力(水蒸气接口)24]。

看数据13 (b)和14,很明显,当水开始进入桶顶部,中部和底部桶的内表面仍然会有一些水体积分数。这意味着,对于一个特定实例的时间和运动员旋转,不止一个跑步者的桶水体积分数。的水流接触的跑步者斗两侧和背部表面桶(回流)也是可见的。这水在背面和侧面部分桶表面会传授一些力桶,如果这个分数高,然后在斗力的强度会更高,它会减少桶的强度(11,13,14]。这是水的另一个作用是作为制动器在跑步,而不是帮助,这给了一个严重的损失的权力。这些能量损失出现的飞机进入桶和提供一定数量的反力矩的外端桶打飞机的表面。

桶的压力分布是由于高射流的影响。这个压力分布应用于木桶再次随时间由于运动员的旋转。发现压力峰值得到斗技巧和纤毛运动的跑步者。压力峰值在桶技巧是由于流干扰飞机来袭时桶小费。很明显得到压力峰值金刚石自水斗式的跑步者在跑步者设计,这样它将大多数液压能转换成机械能,当飞机罢工跑步者PCD。结果表明,高压与3.559×10的价值⁴Pa中间第一个和第二个桶的某种程度的跑步者的旋转,如图15。这种压力值低于当PCD的前一个值= 500毫米(图12)。这可能表明在跑步者有能量损失。

在图的图像15采取正确的桶的一半;然后通过镜像来缓解比较对称。下一步将专注于未来的模拟方面的研究液压;更好的近似数值扭矩。

跑水动力扭矩的液压计算完成jet-bucket交互流的评估之后,从冲击的时刻(喷射减少),直到桶的疏散(喷气断路)[11]。然后计算持续了迎面而来的帧的粒子,直到所有粒子的帧影响下一个桶(射流切割)。可以观察到在图15,转矩曲线的形状也由不同的作者(类似于之前的研究10,19),但在这个领域曲线的不规则性是由于由于康达效应和回流的影响造成桶反力矩,它从以前的研究略有不同(5,11,19]。一些指示性的图片从涡轮机检查显示能量转移发生在一个桶如图16。

开始时(削减)反力矩也可以观察到的相互作用引起的喷气机的背面桶;这个值较大的金刚石= 400毫米比较基线设计(图16)。之后,扭矩是增加更多的水与内表面,直到完整的飞机与桶交互产生的最大扭矩。最大扭矩产生的基线设计(500毫米)大于PCD(400毫米)的减少。结果在图16也表明,较小的涡轮速度较大的一个是真的。

接下来,整个曲线的复杂非定常流七桶桶的分析可以获得随着时间的援助历史观点的人物17和18。总转矩曲线是由单个叶片通道相移的整个范围的总扭矩值和总结给总扭矩作用于涡轮轴。在这个研究论文,中间所产生的转矩桶复制以确定总转矩产生的水斗式水轮机。这是通过假设在稳定条件下每一个桶都是定期生产相同的扭矩。复制完成,直到求和图给稳定值后发生三个水桶的水覆盖表0.03秒跑的旋转。情节获得一半是由于喷嘴和运动员的最大转矩是由峰值乘以4在每个单元有两个喷嘴。这个运动员扭矩已经被采取的平均输出功率计算值从0.03到0.05秒的运动员旋转。的计算方法从一个斗转矩输出功率读数类似上面描述的是很常见的,可以在文献中找到(10- - - - - -12]。

计算效率、输入功率也计算为一个完整的计算涡轮使用两个变量描述流条件:净压头和流量(11]。 因此,(液压)跑步效率在这个模型中计算使用(9)如下:

下一个验证阶段是比较结果发布的这个模型的效率Panthee et al。10)和Panagiotopoulos et al。19]。这将是完成后,检查模型的准确性,与文献[协议10,19]。

3.6。网格独立性研究和模型验证

网格或网格独立学习是为了得到一个解决方案,不发生显著的变化即使我们进一步完善我们的网。八个不同的网格尺寸47.5米主管进行了一个有效的两种不同的情况。旋转域上的筛孔尺寸大小是由元素。细网格的相关性增加。之后,正交网格的质量检查,这是在可以接受的范围内(0.15 - -1.00)为每个网格发展。每个网格也创建相同的物理设置和边界条件。在模拟,结果直接依赖于网格质量的准确性。,它是在分析扭矩变化通过开发SST湍流模型。

表9和10显示网格信息,计算转矩,标准的扭矩,以及由此产生的模拟跑步效率两种不同的情况下,即基线设计(PCD = 500毫米)和减少大小(PCD = 400毫米),分别。

标准的扭矩计算的力量获得功率系数和角速度的跑步者进行比较。可以观察到,从表中的结果9和10,细孔网会给一个解决方案比要求精度高,但以牺牲计算能力和时间。大约390万个元素被要求获得网格独立的结果,金刚石= 500毫米(表9)。同样,PCD = 400 mm涡轮机,总数680万个网格的元素被要求获得网格独立扭力输出(表结果10)。网格解决方案被认为是独立小于0.3的差异之间的扭矩输出连续三个不同网格大小。似乎没有明显的增强是预期的进一步细化网格。从结果可以看到,相对误差为20.1%,CFD和分析数据,发现涡轮的PCD = 400毫米,相对误差0.1%基线涡轮(PCD = 500毫米)在设计点操作条件( 米³/ s和 米)。因此,高价值的相对转矩误差表明,有损失减少涡轮的大小,影响效率的特点。运动员获得的扭矩曲线变化使用不同的密度网格也提出了数字19和20.。

表11显示了性能预测和比较模型的结果有两个结果公布。

表中给出的计算分析结果11显示的性能基线的涡轮设计非常好,因为在设计操作条件相对误差仅为0.4%。扭矩值网(M7)导致了78.8%的模型跑步效率金刚石= 500毫米(基础设计)。后处理可视化(数据10和11)能够定性显示的原因的情况下更好的性能基线设计可能会用更少的排气阀泄漏和解释一个更优的桶设计的用途。如表所示11,模型水力效率减少大小涡轮(PCD = 400毫米)的网格(M8)仅为62.6%,66.1%,71.64%。它可以观察到,不同情况下的分析结果,这些液压效率显著低于基线设计。此外,它可以观察到,减少流量和增加数量的桶等于0.05米³分别/ s, 22日,更多的水是那桶的内表面。这可以解释为什么预测效率迅速增加体积流量小于设计流量。模型的低效率在非设计工况条件(PCD = 400毫米)主要是由于小连壁(破坏效应)桶和失踪的喷射速度(泄漏流量),因为一个可行的桶的设计。这个现象突出,定性数据的观点13- - - - - -15合理的低效率偏离设计的案例。因此,我们的目标是比较流动显示在这两种情况,使用图像后处理,以解释流道性能的差异。差异的解释是,减少PCD从基线设计(PCD = 500毫米)PCD = 400 mm会导致高水力损失,即使它会导致更少的生产成本的价值。重要的是要注意,使用的水桶形状基线设计(如图4)本文基于Jeremy Thake 2000本书6]。在这本书中,建议“金刚石”设计喷射直径的11%将给PCD约500毫米。因此,如果我们优化/改变这桶的形状对每个案例进行了分析,提出的优化结果在上面发表结果和降低涡轮(PCD = 400毫米)的大小可能不同于这项研究。为未来的工作,这种涡轮机叶片的优化设计将由保持400毫米纤毛运动,降低生产成本和提高效率的跑步者。CFD结果Židonis和Aggidis [25)还表明,少数量的桶被要求增加液压。因此,作为最后一步,决定改变长度,深度,和角位置(jet-bucket交互)和改变表面接近嘴唇和重新定义嘴唇的形状曲线减少泄漏,实习生减少能量损失。

4所示。结论

下一代涡轮设计小型水力发电系统寻求更高效率和低的制造成本。水斗式水轮机的(大小)纤毛运动是一个很重要的参数来降低制造成本的水斗式水轮机转轮。但是,没有一致的指导基于数值研究数据可以在公共领域。这项研究提供了一个指南来选择、设计、建模和性能分析的微型水力发电水轮机和提供了一个示例的涡轮(PCD)的大小如何影响涡轮的效率。

本文描述的方法用于CFD分析按比例缩小的模型水轮机理想设计Melkey Herra使用ANSYS大型软件CFX村水电站。水桶模型是根据基线设计或设计计算参数。水斗式水轮机的CFD分析的时间和成本也降低了选择3桶预测完成涡轮的流动行为。目标之一是了解涡轮性能会改变流场扰动时通过减少涡轮的大小对于一个给定的操作条件(即。流量和头部)。结果从基线设计(PCD = 500毫米)已经成功而减少的大小(PCD = 400毫米)的涡轮机。结果两个涡轮设计在设计流量和涡轮如下:一个涡轮(PCD = 400毫米)62.6%的最大效率和基线设计涡轮(PCD = 500毫米)的最大效率为78.8%。流可视化的研究,这项研究提供了洞察效率的原因以及指导提高效率。低效率降低汽轮机的大小主要是由大量的水通过唇离开斗,因此将接近于零的能量转移到轴。问题是因此运动员PCD的选择可以给最好的优势在效率方面对整个工厂的运营领域。为了验证和性能表征,两个水斗式涡轮机报告在文献中被认为是。 The first turbine has PCD = 400 mm, a maximum efficiency of 82.5%, which was studied by Panthee et al., 2014, for Khimti Hydropower in Nepal [10]。第二涡轮机也同样的PCD(= 400毫米)但最大效率的86.7%,由Panagiotopoulos研究et al ., 201519),使用引用案例对应LHT水斗式水轮机安装,在雅典国立技术大学的。这些都是必不可少的计算验证和性能特性的目的。

优化设计、生产和试验测试模型的跑步者在此基础上设计也可能是意识到在本文的下一部分。根据获得的结果,本研究计划的修改基线设计和将包括以下新设计正在测试:(我)改变长度、深度、角位置(Jet-bucket交互),和数量的桶,同时保持所有其他参数不变(2)改变表面接近嘴唇和重新定义嘴唇的形状曲线,减少泄漏

根据结果提出了在这项研究中,有机会改善最大效率以及降低制造成本的水斗式涡轮机,如果规定的设计是使用上面的标准,其次是高保真计算模拟。它将不再需要每次从头开始设计和数值模拟。

本文将自然延伸,验证模型的其他选择的网站。实现这样一个目标将是一个伟大的一步改善理解微水电开发和制造工具的验证CFD结果,因此这种技术的好处可以带到农村人口。

缩写

CFD:	计算流体动力学
排名:	通过ANSYS CFD代码
风场:	剪切应力运输
受到:	液体的体积
民族主义者行动党(MHP):	微型水力发电
MHT:	微水轮机
MWIE:	水、灌溉和能源
性能试验:	最佳效率点。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文是由水、灌溉和能源。作者要感谢省水,灌溉和能源办公室提供的所有信息和数据的基金和完成研究工作。

引用

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