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劳拉·卡斯特罗Gustavo Urquiza,亚当Adamkowski,马塞洛雷焦, ”实验和数值模拟预测水轮机功率和效率的比较”,建模和模拟在工程, 卷。2011年, 文章的ID146054年, 8 页面, 2011年。 https://doi.org/10.1155/2011/146054
实验和数值模拟预测水轮机功率和效率的比较
文摘
现场力量和质量流量测量进行了水电站(墨西哥)。质量流率是使用水hammer-based吉布森的方法获得。数值对应进行了利用商业CFD软件,和流模拟进行水轮机的主要组件:跑步者和通风管。入口边界条件的运动员获得从先前的模拟在螺旋的情况下进行的。跑步者的出口的计算结果被用来进行随后的通风管模拟。跑步者的流动模拟的数值结果提供数据来计算扭矩和涡轮机的权力。Power-versus-efficiency曲线建立,和很好的协议被发现之间的实验和数值数据。
1。介绍
如今,有一个明确的需要low-degrading和低排放能源转型的过程。在这方面,风力和水力涡轮机由于采取了一个重要的角色的内在缺失燃烧的电力生产。沿着这个思路,这说明了努力发生在墨西哥工作地址水电站的性能,特别是涡轮组件的效率的提高。
在墨西哥,通过水力发电厂发电对应总数的22.14% (11094 .90 MW) [1]。这些植物从1950年代,使用涡轮机及其当前操作条件在某种程度上不同于指定的原始设计。因此,必要的评估现状寻找可能的修改包括优化和相应的翻新。为了做到这一点,必须测量排水。这项任务并不容易执行野外条件下尤其复杂水发电厂没有从外部访问压力,没有合适的测量装置准备施工。为了解决这个问题,被称为吉布森的技术方法,通过的流量是通过集成的两个横截面之间的压差变化的压力,可以使用。
虽然吉布森的方法最近改善(2),实际的处理方面仍然需要安装实验仪器(压力传感器、仪表、洞等),很明显,操作涡轮在测试而不是在生产模式下一段时间。考虑到这种类型的约束,它是有用的应用计算流体动力学是为了降低成本收集实验数据。
在这个工作中,这两个方面考虑。首先,现场测量的流量和功率进行了水电站在墨西哥的瓦哈卡,然后,使用商业软件ANSYS进行了模拟只繁殖方面的真实情况。
2。吉布森的流量测量的方法
这种方法,设计了测量水轮机流率,基于水锤现象发生在一个封闭的管道。介绍了吉布森(3),从1898年的工作由Jukowsky受益有关水锤理论。吉布森的方法措施之间的静压差两个横截面上的压力由于动量变化引起的速闭恶人的盖茨的涡轮机。然后通过集成流量,在适当的时间间隔(~ 10 s) (4- - - - - -6]。图1说明了在压力测量的方案。
为了得到一个计算流量的关系以下假设是:(我)一个封闭的管流区面积这可能会改变它的长度,(2)最初的恒定速度和压力场之间的两个给定部分的压力,(3)的水流完全停止在水锤发生时,(iv)常量密度和恒流部分在水锤。
位于这些假设的参数之间的关系的两个选择之间的一维非定常流部分管可以用能量平衡方程进行描述 考虑,上面的方程变成了6]: 积分方程之间的时间间隔(),和分组条件收益率: 在哪里代表了在稳态流量恶人关闭大门,表明部分1和2之间的压差,表示动态部分1和2之间的压差,:流量测量泄漏测试(理想情况下应该是0),和=指定的几何模压力段的长度给出的
压力与定径。
泄漏流是由经验方程决定的吗
3所示。测量仪器
进行测量,使用两个独立的信号采集系统(4];第一个由一台笔记本电脑和一个16位信号采集调理模块卡。第二个由国家仪器PXI1010系统与信号采集模块SCXI 16位的名片。这两个压力传感器用于测试PS-2p(拜访、格但斯克、波兰):范围0 - 700 kPa(相对)的准确性0.1%,温度补偿的4 - 20毫安输出电流由制造商和现场校准。在传感器截面2 - 2的情况下,他们在测试前检查校准。图2显示了压力传感点的方案,和图3、防水管汇安装压力传感器,测量。
信号采集系统,除了捕获压力的行为,也记录了恶人的打开大门,有功功率,尾水的水平。水平的废水手动测量,相比之下,从压力测量部分迹象显示2 - 2;这些测量是必要的计算涡轮的效率。
数据记录是由采样频率500赫兹,ASCII格式的文件准备和100赫兹的频率。的流量计算程序GIB-ADAM发达在波兰Szewalski流体流动机械学院(2,6]。每个测量需要一个速闭分销商和发电机连接到网络,在病情稳定。
4所示。测量结果
流量是决定使用GIB-ADAM[从压力时间历史记录4)程序。图4显示了一个示例的涡轮导叶关闭时间的历史记录和之间的差压测量部分的压力。
(一)
(b)
曾经,8拒绝收取并记录所有的数据。流量测量进行了五个加载条件:25%,50%,75%,85%,和100%的负载。测量显示在表的摘要1。
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5。流仿真的控制方程
模拟三维不可压缩流被认为是,在恒定的性质和等温25°C·k- - - - - -ε湍流模型的标准。吸入管内部的流动Navier-Stokes-Reynolds所描述的是平均的k- - - - - -ε。
连续性:
在哪里
在哪里。
动力:
在哪里B是努力的总和,是有效的湍流粘度,是修改后的压力
- - - - - -模型假设湍流粘性湍流动能和耗散通过相关关系
的值和直接来自传输方程湍流动能和耗散的动荡
在哪里,是常数,动荡的生产是由于粘度的力量就是建模如下:
不可压缩流,很小,和第二项的方程不生产贡献显著。
5.1。数值分析
所使用的商业软件采用有限体积数值方法求解了方程- - - - - -标准模型。进行数值模拟,我们使用非结构化网格流道和1759261个元素的结构化网格通风管的1024956个元素。模拟运行在一个惠普馆PC与两个1.66 GHz的英特尔处理器、2 GB内存。
进行数值模拟,测量结果在测试1,3,5,6,8显示在表1被使用。
所选数值模拟的收敛标准RMS(均方根)归一化值方程的残差与e - 006的价值。
5.2。边界条件
在跑步者,边界条件规定如下:(我)进口:定义为质量流量入口,(2)湍流强度:- - - - - -从蜗壳,(3)出口:定义为静态压力(在通风管的入口),(iv)湍流强度:零梯度,(v)叶片,裹尸布和中心:被定义为墙没有运动,表面光滑。
6。仿真的结果
获取数值模拟的最终结果之前,我们进行了网格独立性分析称为网格收敛指数(GCI的缩写)估计的百分比误差的解决方案。根据所做的功Roache [7计算),这是由以下方程: 在哪里 在哪里转矩的相对差异结果(选择一个参数,在这种情况下,最重要的计算运动员的力量)最好的吗和粗,之间的比率是最好的网格元素的大小()和粗(),的顺序方法用于参考解决方案;在这种情况下,使用二阶。表2显示分析结果。
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考虑到处理时间和存储卷的文件生成的数值模拟结果,得到最终结果网格。3被选中,有收敛指数,是合理的(根据引用,它是理想的小于1.5时)
6.1。跑步者
从运动员上的模拟,得到扭矩它继续机械功率的计算和比较它与测量。这项研究的结果发表在表3和图5。
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在91.16%的效率,特别注意拍摄于模拟的结果,要仔细分析,这些结果代表了最大效率。最重要的问题之一是空化;在图6压力轮廓不显示,低压分叶片可以生产它。
(一)
(b)
图7显示了叶片加载,可以看出,没有在叶片压力突然变化,以及负压,它提供了证据表明,没有空化气泡可能形式和原因。
在图8,速度矢量显示流经过跑步时不会产生涡流。
6.2。通风管
从模拟的结果在跑步,通风管入口的边界条件不同的测量流速得到;因此,该组件的行为被发现,这是很重要的,因为很难直接测量。
数据9和10展示流线和压力轮廓在通风管不同的流率。流的行为在这个组件预计在文献[1,8- - - - - -10]。草案管从涡轮排出水的功能,除了表演作为能量回收设备,帮助提高单位的整体性能。它还可以允许下游水位较低或高于涡轮的赤道平面,根据安装需要。通风管,由于其不同的形状,生产放缓速度离开涡轮的水,将流体的动能转换为压力能(图10)。
(一)
(b)
(一)
(b)
在图9,它可以观察到,随着流管,他们的行为正在改变和肘部速度下降到初始速度的一半。此外,由于通风管上的码头,有分离流,速度进一步降低涡流产生的跑步者的一边是导演。
与这些结果,我们将提出修改该组件几何增加效率。
7所示。结论
获得的机械功率和效率的模拟现场测量值吻合很好。
结果的最大效率,流中的不利条件下不会出现,所以涡轮可以正常工作在这头,从而提高流动单元的性能的研究。
因此,这些结果可以被认为是足够可靠的速度在出口处跑,可用于在通风管的入口边界条件。
结果表明,通风管中的流动是足够近似的实际流程,根据修改后的参考书目。
符号
| : | 密度 |
| : | 液体比重计的水平 |
| : | 压降引起的摩擦损失 |
| : | 流在恶人的关闭大门 |
| : | 漏流 |
| : | 几何压力段的模量 |
| : | 消防栓的段的长度 |
| : | 横向区域的压力 |
| : | 比松流(0.65 - -0.7) |
| : | 恶人的空白区 |
| : | 进口和出口之间的压力差分销商 |
| : | 采收率 |
| G: | 重力加速度 |
| 再保险: | 雷诺数 |
| : | 直径 |
| : | 运动粘度 |
| : | 质量流量 |
| : | 动态粘滞度 |
| : | 经验常数 |
| : | 动力湍流能量 |
| : | 湍流耗散率 |
| : | 轴向速度 |
| : | 径向速度 |
| : | 切向速度 |
| : | 静压 |
| : | 有效粘度 |
| : | 湍流粘度 |
| : | 湍流常数 |
| : | 湍流常数 |
| : | 湍流常数 |
| : | 湍流常数 |
| : | 湍流生产粘度部队 |
| : | 剪切应力 |
| : | 卡门常数 |
| 快: | 网格收敛性指数 |
| : | 相对误差 |
| : | 元素的大小比例 |
| : | 压力系数 |
| : | 平均静压 |
| V: | 体积 |
| : | 湍流频率 |
| : | 效率 |
| : | 流 |
| : | 机械功率。 |
确认
作者感谢联邦电力委员会(CFE)为本研究提供的设施和国家科学技术委员会(CONACYT)奖学金授予博士学位的学生。
引用
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