Řízení vířivého proudění v difuzoru pomocí různých instalací

Control of Swirling Flow in a Diffuser Using Various Installations

conference paper

en

Admitting swirl into a diffuser leads to unsteady flow featuring a spiral vortex. This is the case of the draft tube of a water turbine operating in part load, where the spiral vortex is called vortex rope. It was shown to be the source of undesirable pressure pulsations that may under unfavorable circumstances grow to prohibitive intensity; therefore, suitable methods leading to their mitigation have long been of interest. In this work, we use a swirl generator with a diffuser and study the effect of different installations by means of both CFD simulations and experiments. The installations are based on perforated metal sheet of rotationally symmetric shape intended to induce dissipation and/or fins intended to suppress circumferential velocity. For the base case without the installations, CFD simulations with the Reynolds Stress equation Model (RSM) and scale-resolving Stress-Blended Eddy Simulation (SBES) turbulence models were carried out. Cases with the installations were simulated using RSM only. Experiments comprise pressure measurements at the diffuser wall and high-speed camera recordings of the flow visualized by air or cavitation. It was shown that installations of rotationally symmetric shapes are insufficient. Introducing fins of proper shape and placement leads to regular flow with only weak unsteadiness compared to the original irregular strongly unsteady flow.

Vpuštění víru do difuzoru vede k nestacionárnímu proudění se spirálovitým vírem. To je případ sací trouby vodní turbíny pracující při částečném zatížení, kde se spirální vír nazývá vírový cop. Bylo prokázáno, že je zdrojem nežádoucích tlakových pulzací, které mohou za nepříznivých okolností narůst do neúnosné intenzity; proto je třeba najít vhodné metody vedoucí k jejich zmírnění, které jsou již dlouho předmětem zájmu. V této práci používáme vírový generátor s difuzorem a studujeme vliv různých vestaveb pomocí CFD simulací a experimentů. Vestavby jsou založeny na na perforovaném plechu rotačně symetrického tvaru, který má vyvolat disipaci, a/nebo na žebrech, která mají potlačit rozptyl obvodové rychlosti. Pro základní případ bez těchto zařízení se provádí simulace CFD s rovnicí Reynoldsova napětí (RSM) a modelem turbulence SBES (Stress-Blended Eddy Simulation) s rozlišením měřítka. Případy s se zařízeními byly simulovány pouze pomocí RSM. Experimenty zahrnují měření tlaku na stěně difuzoru a vysokorychlostní kamerové záznamy proudění vizualizovaného vzduchem nebo kavitací. Ukázalo se, že instalace rotačně symetrických tvarů jsou nedostatečné. Zavedení žeber správného tvaru a umístění vede k pravidelnému proudění pouze se slabými nestabilitami ve srovnání s původním nepravidelným silně nestabilním prouděním.

Admitting swirl into a diffuser leads to unsteady flow featuring a spiral vortex. This is the case of the draft tube of a water turbine operating in part load, where the spiral vortex is called vortex rope. It was shown to be the source of undesirable pressure pulsations that may under unfavorable circumstances grow to prohibitive intensity; therefore, suitable methods leading to their mitigation have long been of interest. In this work, we use a swirl generator with a diffuser and study the effect of different installations by means of both CFD simulations and experiments. The installations are based on perforated metal sheet of rotationally symmetric shape intended to induce dissipation and/or fins intended to suppress circumferential velocity. For the base case without the installations, CFD simulations with the Reynolds Stress equation Model (RSM) and scale-resolving Stress-Blended Eddy Simulation (SBES) turbulence models were carried out. Cases with the installations were simulated using RSM only. Experiments comprise pressure measurements at the diffuser wall and high-speed camera recordings of the flow visualized by air or cavitation. It was shown that installations of rotationally symmetric shapes are insufficient. Introducing fins of proper shape and placement leads to regular flow with only weak unsteadiness compared to the original irregular strongly unsteady flow.

vířivé proudění;nestability;difuzor;vírový cop;vestavby

swirling flow;instability;diffuser;vortex rope;installations

14.02.2023

AIP Publishing

9780735443259

0094-243X

AIP Conference Proceedings

2672

8