Numerical study of flow parameters in the high-head francis turbine

Abstract

The scientific exploration of numerical computation regarding spatial flow within hydraulic machinery components is examined. A survey of contemporary software systems is conducted, and the benefits of their utilization over experimental studies are evaluated. It is indicated that the optimal approach involves a blend of experimental investigations and numerical simulation. This methodology facilitates the validation of simulation outcomes under real-world conditions and iteratively enhances the model based on acquired data. A review of the widely utilized Ansys software program is provided, emphasizing its pivotal features and capabilities for analyzing flow components of hydraulic turbines. An algorithm for computing flow parameters in hydraulic turbines using the Ansys software suite is outlined. The subject of this study is the high-head Francis hydraulic turbine Fr 500. The turbine's geometry was constructed employing a sector-based approach. This technique allows for significant simplification of calculations within the computational fluid dynamics framework, thereby reducing computational workload while preserving result accuracy. In selecting mathematical and turbulence models, a comprehensive analysis of the problem was undertaken, identifying models most suitable for the specific situation to ensure dependable numerical simulation outcomes. For spatial flow calculations in the turbine's flow component, the standard k-ε turbulence model was adopted. Considerable attention was devoted to mesh generation, as mesh quality strongly influences result accuracy and reliability. An unstructured mesh comprising tetrahedral-shaped cells was employed for discretizing the flow component, with local mesh refinement at the edges of the runner blades and guide vanes. As a result of numerical computations, the values of primary flow parameters for the design operating mode were determined. A visualization of the flow within the flow component is provided, alongside the assessment of hydraulic losses and turbine efficiency. The efficiency values obtained differ from corresponding experimental values by no more than 1 %. A thorough examination of the flow structure within the flow path was conducted, yielding recommendations for adjusting the blade angle β1 to reduce inlet impact losses.

Розглянуто науковий напрямок чисельного розрахунку просторового потоку в проточних частинах гідравлічних машин. Проведено огляд сучасних програмних комплексів та проаналізовано переваги їх використання у порівнянні з експериментальними дослідженнями. Зазначено, що оптимальним рішенням є поєднання експериментальних досліджень та чисельного моделювання. Це дозволяє перевірити результати моделювання в реальних умовах і вдосконалити модель на основі отриманих даних. Виконано огляд широко використовуваної програми Ansys, виділено її ключові характеристики та можливості для аналізу проточних частин гідравлічних турбін. Представлено алгоритм розрахунку параметрів потоку в гідравлічних турбінах з використанням програмного комплексу Ansys. Об'єктом дослідження в даній роботі є високонапірна радіально-осьова гідротурбіна РО 500. Побудовано геометрію гідравлічної турбіни з використанням секторного підходу. Цей метод дозволяє значно спростити розрахунки в межах обчислювальної динаміки рідини і зменшити об'єм обчислень без втрати точності результатів. Для вибору математичної моделі та моделі турбулентності проведено докладний аналіз задачі та вибрані моделі, які найкраще відповідають конкретній ситуації, щоб забезпечити надійні результати чисельного моделювання. Для розрахунку просторового потоку в проточній частині гідротурбіни було обрано стандартну k-ε модель турбулентності. Велику увагу приділено створенню обчислювальних сіток, якість яких сильно впливає на точність та надійність отриманих результатів. Для дискретизації проточної частини використано неструктуровану сітку з комірками тетраедральної форми, з локальним згущенням сітки біля кромок лопатей робочого колеса та лопаток направляючого апарату. В результаті чисельного розрахунку були розраховані значення основних параметрів потоку для розрахункового режиму роботи. Представлена картина течії в проточній частині, та отримано значення гідравлічних втрат та коефіцієнту корисної дії гідротурбіни. Отримані значення коефіцієнту корисної дії мають розбіжність з аналогічними експериментальними значеннями не більше 1 %. Проведено всебічний аналіз структури потоку в проточній частині. Запропоновано рекомендації щодо зміни кута лопаті β1 для зменшення ударних втрат на вході в робоче колесо.