Чисельне дослідження енергетичних характеристик горизонтальної капсульної гідротурбіни

Abstract

Проведення чисельного експерименту дозволяє зменшити фінансові витрати на проведення лабораторних випробувань модельної гідротурбіни на гідродинамічних стендах, а також дозволяє у більш швидкі строки спроектувати високоефективну гідротурбіну, яка відповідає всім вимогам замовника. В останні роки був досягнутий істотний прогрес у створенні засобів моделювання та розрахунку течій рідини, що дозволяють виконувати розрахунок з настільки високою вірогідністю одержуваних результатів, що необхідний обсяг експерименту в багатьох випадках зводиться до мінімуму. Було проведено чисельне моделювання просторового потоку в горизонтальній капсульній гідротурбіні ПЛ-15ГК-100 з використанням двох сучасних програмних комплексів – комерційного FlowVision та OpenFOAM, який випущено під ліцензією GNU GPL (ліцензія вільно поширюваного програмного забезпечення з відкритим кодом). Процес вирішення поставлених гідродинамічних задач за допомогою програмних комплексів CFD (Computational Fluid Dynamics) включає в себе наступні етапи: створення тривимірної моделі об'єкта за допомогою системи автоматичного проектування; побудова розрахункової сітки з необхідними параметрами; вибір математичної моделі; вибір відповідної моделі турбулентності; завдання граничних умов. Приведено візуалізацію результатів чисельного дослідження просторового потоку по двом програмним комплексам та виконано порівняння результатів розрахунку з даними модельних випробувань. Здійснено розрахунок гідравлічних втрат в проточній частині горизонтальної гідротурбіни. Даний аналіз дозволив зробити висновок про подібність результатів розрахунку тривимірного протоку в проточній частини гідротурбіни в програмних комплексах FlowVision та OpenFoam. Отримані в результаті чисельного експерименту значення гідравлічного ККД гідротурбіни для обох програмних комплексів адекватно співпадають з аналогічними значеннями експериментальних досліджень, розбіжність складає близько 0,5 %.

Carrying out a numerical experiment allows you to reduce the financial costs for laboratory tests of a model hydraulic turbine on hydrodynamic stands, and also allows you to design a highly efficient hydraulic turbine that meets all customer requirements in a faster time frame. In recent years, significant progress has been achieved in the creation of tools for modeling and calculating fluid flows, which make it possible to perform calculations with such a high probability of the results obtained that the required amount of experiment is in many cases reduced to a minimum. A numerical simulation of the spatial flow in a horizontal capsule hydraulic turbine PL-15GK-100 was carried out using two modern software systems – commercial FlowVision and OpenFOAM, which is released under the GNU GPL license (free open source software license). The process of solving the set hydrodynamic problems using CFD (Computational Fluid Dynamics) software systems includes the following stages: creating a three-dimensional model of an object using a computer-aided design system; construction of a computational grid with the required parameters; selection of a mathematical model; selection of a suitable turbulence model; setting boundary conditions. A visualization of the results of a numerical study of the spatial flow using two software packages is presented and a comparison of the calculation results with the data of model tests is performed. The calculation of hydraulic losses in the flow path of a horizontal hydraulic turbine is carried out. The analysis of the results of numerical modeling is carried out. This analysis made it possible to draw a conclusion about the similarity of the results of calculating the three-dimensional flow in the flow path of the hydraulic turbine in the software packages FlowVision and OpenFoam. The value of the hydraulic efficiency of the hydraulic turbine obtained as a result of the numerical experiment for both software systems adequately coincides with the analogous values of experimental studies, the discrepancy is about 0,5 %.