بررسي كارآيي مدل‌هاي مختلف در شبيه‌سازي عددي عملكرد يك ميكرو توربين آبي اگنيو

Numerical study of different models of an Agnew micro hydro turbine

در اين مطالعه، شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان سيال گذرنده از يك ميكروتوربين جريان محوري اگنيو بررسي شده است. اين توربين كه در آزمايشگاه ماشين‌هاي آبي سازمان پژوهش‌هاي علمي و صنعتي نصب شده، براي توليد توان در مقياس يك كيلووات طراحي شده است. شبيه‌سازي عددي در نرم‌افزار انسيس سي‌اف‌اكس نسخه دوازده انجام شده و نتايج آن با داده‌هاي تجربي اعتباردهي شده است. چهار شبكه محاسباتي مختلف به كمك روش شاخص همگرايي شبكه مورد ارزيابي قرار گرفته تا استقلال حل از شبكه بررسي شود. در شبيه‌سازي‌ها، از صفحه اختلاط جهت انتقال آشفتگي جريان از دامنه دوار پره‌ها به دامنه ساكن لوله مكش استفاده شده است كه در آن اغتشاشات در راستاي محيطي ميانگين‌گيري مي‌شوند. براي اعتباردهي شبيه‌سازي عددي، تاثير نحوه مدل‌سازي آشفتگي جريان با انتخاب چند مدل مختلف بررسي شده است. از آنجا كه مقدار شدت آشفتگي جريان به روش تجربي ممكن نيست، چند مقدار براي آن در نظر گرفته شده است و نتايج نشان مي‌دهد كه مقدار شش درصد براي شدت آشفتگي جريان ورودي به توربين، نزديكي بيشتري با داده‌هاي تجربي دارد. همچنين با انتخاب چهار طرح مختلف، تاثير گسسته‌سازي معادلات بررسي شد كه به دليل دقت مناسب و حجم محاسبات، طرح دقت بالا براي انجام شبيه‌سازي عملكرد توربين اگنيو انتخاب شد. پس از تعيين نحوه مدل‌سازي آشفتگي، مقدار آشفتگي در ورودي و نحوه گسسته‌سازي معادلات، شبيه سازي كل توربين اگنيو انجام شده و نمودارهاي راندمان توربين به‌دست آمده است. خطاهاي آزمايش و اختلاف نتايج شبيه‌سازي با داده‌هاي تجربي نيز بررسي شده است كه بيانگر توافق مناسبي است.

In this study, a three-dimensional fluid field of an axial flow type micro hydro named Agnew has been investigated. The turbine installed at the Hydraulic Machines Laboratory (HML) of Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST) has been designed to generate 1 kw output power. All numerical simulations were performed using ANSYS CFX, a Computational Fluid Dynamic (CFD) code, to investigate the performance parameters such as efficiency and power, and results are validated against experimental data. Four different grid sizes are studied in accordance with the Grid Convergence Index (GCI) to investigate mesh independency of the solution. Results of several turbulence models were also examined to find out the Shear Stress Transport (SST) model in order to take into account the turbulence in the flow. Several turbulence models were also examined together with wall function so that the turbulence in the flow could be taken into consideration. A mixing plane interface plane was used to pass the disturbance of rotary domain to stationary domain. The obtained results show that a high resolution advection scheme, mixing plane to model the rotor-stator interaction together with a turbulence intensity of I=6% at the inlet, best matches with the experimental results. The difference between the efficiencies computed from both numerical approaches and experimental values may be ascribed to a numerical error, a model error or a systematic error.