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27.07.2021

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Steffen Finck Prof. Gerd Thieleke Vorgelegt von Dominik Allgaier Dornbirn,. Die Geometrie des Simulationsraumes wurde aus CAD importiert und mithilfe vorhandener Messungen definiert. Durch den gewählten Frozen Rotor-Ansatz kann die Simulationsdauer dramatisch gesenkt werden, indem ein quasistationäres Problem erzeugt wird. Somit bietet sich der simplefoam-löser an. In einem iterativen Prozess wurden alle Simulationsparameter so eingestellt, um eine bestmögliche Übereinstimmung mit den Messungen zu erzielen. Das mit snappyhexmesh erzeugte Rechengitter besteht aus 3,4 Millionen Zellen und erfüllt abgesehen von der maximalen Schräge alle Qualitätskriterien. Die Simulation konvergiert mit Residuen von kleiner als e nach Iterationen. Es können mehrere Punkte genannt werden, die die Abweichung der Simulation bezogen auf den Messwert und den relativ niedrigen Wirkungsgrad der Turbine erklären. Das CFD- Modell erlaubt darüber hinaus die Simulation weiterer Betriebspunkte sowie die Simulation neuer Schaufeldesigns. The physical model with 40 kw power rating shows a maximum efficiency of The geometry was imported from CAD and defined using measurement results. The frozen rotor approach reduces the duration of the simulation significantly compared to an unsteady simulation, creating a quasi-steady problem. Thus lends itself to the simplefoam-solver.

In an iterative process all simulation parameters have been adjusted to obtain a result that matches with the measurements as good as possible. The computational grid was created with snappyhexmesh and consists of 3. Expect of the maximal skewness it can fulfill all quality criteria. The simulation converges after iterations with residuals smaller than e Several points can be named which explain the deviation between simulation and measurement and the relatively low efficiency of the turbine itself as well. More over the CFDmodel enables a simulation of further operation points and even the simulation of different rotor and stator geometries.

Einführung Motivation Ziele und Methodik 2 2. Theorie Kaplanrohrturbine Funktionsweise Die Laborturbine Strömungstechnische Grundlagen Bernoulli-Gleichung Eulersche Turbinengleichungen Erhaltungssätze Reynoldzahl Grenzschichttheorie Tragflügeltheorie Numerische Grundlagen Diskretisierung Lösungsverfahren Konvergenzkriterium Topologie und Qualitätskriterien Turbulenzmodellierung Aufbau des Simulationsfalls OpenFOAM Struktur Vereinfachungen Geometrie und Vernetzung Geometrie Erzeugen eines Gitters in OpenFOAM Erzeugen von STL-Dateien Gittererzeugung mit snappyhexmesh Vorbereitungen Frozen Rotor-Methode Stoffwerte Rand- und Anfangsbedingungen Lösungsverfahren und Kontrolle 32 - V -. Einführung 1. Ihre Bedeutung wird durch die Energiewende weiter zunehmen. In einem regenerativen Energiemix bestehend aus Wind, Wasser und Solar können Wasserkraftwerke ihre Stärken in den wichtigen Segmenten der Grundlastversorgung und der Energiespeicherung ausspielen. Turbomaschinen im Allgemeinen und Wasserturbinen im Speziellen weiterzuentwickeln und zu optimieren, ist eine komplexe Herausforderung. Versuchstests sind aufwändig sowie zeit- und kostenintensiv. Andererseits beruhen mathematische Modelle häufig auf Empirie. Die Vorhersage von Strömungen mit Hilfe von numerischen Simulationen auf Computern CFD- Computational Fluid Dynamics ist eine vielversprechende Alternative und Ergänzung, die in immer mehr Wissenschaftsdisziplinen genutzt wird. Die Anwender können heute komfortable Programme und leistungsfähige Rechner für die numerische Strömungsmechanik nutzen, so dass auch die Berechnung komplexer Strömungen möglich ist.

Numerische Simulationen bieten das Potenzial einer schnellen und günstigen Vorhersage von Eigenschaften eines Modells. Dem Anwender muss dabei immer bewusst sein, dass es sich um ein vereinfachtes und idealisiertes Abbild des physikalischen Modells handelt. Eine Plausibilitätsprüfung ist von daher immer erforderlich. An der Hochschule Ravensburg-Weingarten befindet sich im Energie- und Strömungstechniklabor zu Forschungs- und Versuchszwecken eine Kaplan-Rohrturbine. Die Leistung dieser Wasserturbine beträgt 40 kw. Sie ist mit einigen Strömungssensoren ausgerüstet. So kann das Ergebnis der Simulation den Messungen gegenübergestellt werden. Ein mit O- penfoam erstelltes und zugängliches CFD-Modell einer axial durchströmten Kaplanturbine kann nicht gefunden werden. Deshalb wird im Rahmen dieser Masterarbeit das Ziel verfolgt, mit diesem frei zugänglichen Programm ein CFD-Modell zu erstellen, um damit die Turbine eingehend zu untersuchen und Optimierungspotenziale aufzuweisen. So besteht einerseits Potenzial in der Effizienz - 1 -. Darüber hinaus soll das Modell für weitere Untersuchungen folgenden Ansprüchen genügen: - Umströmung der Leit- und Laufprofile visualisieren - Die Strömungsverhältnisse im Saugrohr aufschlüsseln - Geschwindigkeitsdreiecke erstellen - Vektorfelder - Netzstudie - Vergleich von Turbulenzmodellen - Druckbeiwerte c p des Laufrades berechnen Spezifischer ausgedrückt wird folgende Forschungsfrage formuliert: "Wie sind die Simulationsparameter Turbulenzmodell, Gitterstruktur und Randbedingungen zu wählen, damit die Simulationsergebnisse unter Voraussetzung bestmöglicher Konvergenz den Messergebnissen möglichst nahe kommen?

Definition der Geometrie: Dabei geht es darum, mit Hilfe von vorhandenen Kenntnissen das optimale Rechengebiet für das durchströmende Volumen zu finden 2. Rechennetz erstellen: Dies ist die Hauptaufgabe einer CFD-Simulation. Das Netz muss einige Kriterien erfüllen und eine gute Qualität aufweisen, damit das Ergebnis möglichst realitätsnah wird 3. Simulieren: Dazu gehört nicht nur die Simulation selbst, die der Rechner übernimmt, sondern auch, die richtigen Randbedingungen und mathematische Verfahren auszuwählen 4. Ergebnisse aufbereiten: Aufbereitete Ergebnisse sind für die Analyse, Auswertung und weiterführende Arbeiten wichtig - 2 -. Kapitel detailliert aufgeschlüsselt. Nach der Geometriedefinition wird in einem iterativen Prozess ein Modell erstellt, welches nach Möglichkeit alle Qualitätskriterien erfüllt und den Messergebnissen möglichst nahe kommt. Dabei werden die Parameter so eingestellt, um eine bestmögliche Übereinstimmung mit den Messwerten zu erreichen.

Die Rechenergebnisse können direkt mit den Ergebnissen aus bestehenden Messungen validiert werden. Die Peltonturbine dagegen ist eine Gleichdruckturbine, wobei sie dem Fluid seine Energie durch Impulsübertrag entnimmt. Abgerundet wird dieses Kapitel mit den mathematischen Methoden, wie ein CFD-Programm die Strömungstechnik numerisch umsetzt. Grundsätzlich wandelt eine Wasserturbine potentielle wie auch kinetische Energie in Rotationsenergie um, die über eine Welle weiter an einen Generator zur Stromerzeugung übertragen wird. Im Leitrad wird die Strömung beschleunigt und umgelenkt, damit sie mit höherer kinetischer Energie auf das Laufrad trifft, welches mittels Impulsübertrag in Rotation versetzt wird. Dies erzeugt eine in Umfangsrichtung wirkende Kraft, woraus ein Drehmoment und damit ein Leistungsübertrag resultieren. Abbildung zeigt die einstufige axial durchströmte Kaplanturbine zusammen mit einer eingebauten Strömungssonde. Abbildung einstufige axial durchströmte Kaplanturbine - 4 -. Die Anlage steht im Energie- und Strömungslabor der Hochschule Weingarten und erstreckt sich über zwei Stockwerke. Über jeweils ein Stellventil V1, V2 lassen sich die Durchflussmengen aus den Behältern regeln. Damit keine Fremdteile in die Anlage eingetragen werden, ist jeweils ein Sieb über den Ansaugöffnungen der Behälter angebracht.

Die Pumpe befindet sich ebenfalls im Keller und wird über einen Gleichstrommotor angetrieben. Eine Prallplatte am Eintritt des Windkessels sorgt dafür, dass das Wasser mit einem niedrigeren Turbulenzgrad in den Windkessel eingeleitet wird. Über ein Ventil am Dach des Windkessels lässt sich ein Druckluftpolster aufbauen, womit das Gefälle erhöht werden kann. Der Einlauf in die Turbine ist als Trompete ausgeführt und soll die Einlaufverluste durch Einschnürung verringern. Die Trompete ragt in den Windkessel hinein, um turbulente - 5 -. Die Turbine ist eine axial durchströmte Kaplanturbine. Der Leitapparat ist während des Betriebs der Anlage mithilfe eines Elektromotors verstellbar, die Laufbeschaufelung dagegen nur manuell und bei entleerter Anlage. Die Welle ist in einem Rohr gelagert und wird über die Flossen getragen. Dadurch kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Über einen Krümmer wird das Wasser wieder nach unten abgeleitet. Hier sind Umlenkbleche integriert, welche die Strömung teilweise homogenisieren und die Krümmerverluste reduzieren. Eine Drosselklappe leitet das Wasser in Behälter 1, womit der Kreislauf geschlossen und der Druck im Diffusor geregelt wird.

Die eingebaute Kaplanturbine wie auch weitere Hauptkomponenten des Versuchstandes wurden von der Firma Escher-Wyss hergestellt. Der Leitapparat lässt sich mit einem Elektromotor von 15 bis 85 bzw. Tabelle gibt einen Überblick über die technischen Daten der Turbine. Eine nachträglich eingebaute Messapparatur ermöglicht die Messung mittels verschiedener Strömungssonden. Zum Vergleich zwischen Simulation und Messung werden die Messdaten einer dreidimensionalen Keilsonde herangezogen. Damit kann wie in Abbildung die Drucklinie über der Turbine berechnet werden. Hier kann man gut erkennen, dass die Kaplanturbine eine Überdruckturbine ist. In Abbildung ist ein Schaufelplan einer einstufigen Turbine mit dem entsprechenden impulsgemittelten Geschwindigkeitsdreieck dargestellt. Abbildung Schaufelplan mit Impulsdreieck - 8 -. Energieerhaltungssatz 1. Hauptsatz der Thermodynamik : Dieser wird nur bei Problemen mit kompressiblem Fluid oder Wärmetransfer zusätzlich angewandt. Die Navier-Stokes-Gleichung kann auch in ihre Raumkomponenten zerlegt werden. All diese Differentialgleichungen können in einen ähnlichen Aufbau umgeformt werden. Der Übergang, auch Transition genannt, wird durch eine sogenannte kritische Re. Re krit variiert stark von Geometrie zu Geometrie. Es liegt eine turbulente Strömung vor. Für die charakteristische Länge l wird die angeströmte Lauflänge der Laufschaufel von ca. Sie bedeutet gleichzeitig eine Vereinfachung, durch die einzelne, vereinfachte Navier-Stokes-Gleichungen erstmals auch analytisch gelöst werden können Stemmer.

Die Strömung in der Kaplanturbine ist turbulent. Diese wird wiederum in zwei Bereiche aufgeteilt: - Die viskose Unterschicht, in der der viskose Einfluss dominiert. Die präzise Modellierung der Grenzschicht ist wichtig, weil sich von dort aus die turbulente Strömung entwickelt. Die folgende Beschreibung basiert hauptsächlich auf Schwarze, , S. Dies würde ein immens feines Netz erfordern. Häufig werden 5 10 Zellschichten genannt, um die turbulente Grenzschicht vollständig aufzulösen CFD-Online, Deshalb wurden sog. Wandrandbedingungen entwickelt und eingeführt, die in Kombination mit bestimmten Turbulenzmodellen sog. High-Re-Turbulenzmodellen die Grenzschicht nicht auflösen, sondern beschreiben.

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