PROYECTO FIN DE CARRERA
EVALUATION OF NUMERICAL METHODS FOR TURBOMACHINES BASED ON EXPERIMENTAL DATA
FROM A FRANCIS PUMP-TURBINE IN PUMP MODE.
AUTOR: ANA FABA TORTOSA
MADRID, junio de 2008
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)
INGENIERO SUPERIOR INDUSTRIAL
Resumen ii
RESUMEN
El objetivo de este proyecto es la validacin, a partir de su comparacin con
datos reales experimentales, de la capacidad de los mtodos CFD para
modelar el comportamiento del flujo dinmico para fenmenos transitorios
en turbomquinas hidrulicas.
El caso estudiado concierne a una bomba-turbina Francis en sentido bomba.
Un modelo a escala reducida de dicha mquina con una velocidad especfica
= 0.19 es el utilizado en las medidas de laboratorio.
La turbomquina est compuesta de 9 labes en la rueda y 20 canales en el
difusor. Dos puntos de operacin distintos, uno de carga parcial y otro de
elevada tasa de descarga, son descritos y analizados por mtodos de
simulacin, en trminos de fluctuacions de presin a lo largo de los canales
del estator. Estas fluctuaciones generadas por la interaccin entre el rotor y el
estator (RSI) y los fenmenos que afectan al comportamiento del flujo a causa
de ello forman parte del estudio realizado en este proyecto.
La simulacin numrica de los flujos transitorios est representada gracias al
paquete de software de ingeniera ANSYS CFX.11. para cuatro dominios de
computacin diferentes: 3 posibles dominios parciales y tambin la mquina
completa.
Aunque inicialmente se realizan anlisis generales para los cuatro casos, tras
la evaluacin de la calidad de los resultados, se detalla la investigacin para
el ltimo caso exclusivamente. Solamente un dominio de computacin que
incluya la mquina entera se considera que minimice los errores de CFD y
que consiga as una simulacin fiable.
Resumen iii
Esos resultados numricos precisos y detallados son comparados con las
medidas obtenidas en los test del laboratorio, con la intencin de validar el
mtodo y determinar los principales fallos de los mtodos CFD.
Las medidas de presin en el marco estacionario, cuyos puntos suponen
bsicamente todo el ncleo del anlisis, estn tomadas mediante diminutos
sensores de presin piezoresistivos, situados en diferentes puntos de dos de
los veinte canales del distribuidor: el primero y el ltimo.
En general, se descubre muy buena concordancia entre la simulacin y los
resultados del laboratorio para el punto de operacin con elevado caudal de
descarga pero existen algunas diferencias para el de carga parcial.
Las posibles causas y la descripcin del comportamiento del flujo estn
desarrolladas a lo largo de este proyecto. Por ejemplo, torbellinos y pequeos
remolinos pueden nacer debido a la falta de adaptacin entre la geometra de
la mquina y los tringulos de velocidad del agua en cargas parciales.
Este tipo de fenmenos aleatorios e instantneos crean un rgimen no
permanente y un grado de inestabilidad en el comportamiento del flujo que
no llega a predecirse ni a simularse completamente bien con los actuales
mtodos de CFD.
Este proyecto puede ofrecer una primera referencia de anlisis para ms
detallados estudios en el futuro.
De acuerdo con esto, las diferencias ms relevantes entre los resultados de
CFD y los datos experimentales pueden ayudar a advertir dnde y cmo los
mtodos numricos pueden ser mejorados y corregidos. Por otra parte, como
los la simulacin en CFD ofrece resultados de la presin y todas las variables
y propiedades del flujo en cualquier lugar y posicin de toda la mquina,
para cualquier canal y cualquier punto en la bomba-turbina, de la
observacin de los resultados que parezcan insospechados o ms
Resumen iv
sorprendentes pueden ayudar a sugerir dnde colocar un nuevo sensor de
presin para el prximo test de laboratorio.
Para concluir, la comparacin de ambos resultados puede ayudar a mejorar
el desarrollo de las mquinas hidrulicas, tanto encontrando los puntos
dbiles de las mquinas actuales, sus riesgos y problemas de operacin as
como corrigiendo los mtodos de CFD con la intencin de mejorarlos y
aplicarlos al diseo y rediseo de dichas mquinas.
Summary v
SUMMARY
The aim of this project is to validate, by comparison with real experimental
data, the ability of CFD methods to model dynamic flow behaviour for
unsteady phenomena in hydraulic turbomachines.
The study case concerns a Francis pump-turbine in pump mode. A reduced-
scale model = 0.19 is used for the laboratory measurements. It is composed
of 9 runner blades and 20 diffuser channels. Two different operating points,
one of partial load and another of high discharge, are described and analysed
by simulation methods, in terms of pressure fluctuactions along the stator
channels. These fluctuacions generated by Rotor Stator Interaction (RSI) and
the phenomena that affect the flow behaviour caused by them are part of the
study of this paper.
The numerical simulation of the unsteady flow is performed with ANSYS
CFX.11 for four computing domains: 3 possible partial domains and also the
entire machine.
Although previous general analysis are done for the four cases, after the
evaluation of the quality of their results, detailed investigations are finally
made for the last one exclusively. Only a computing domain of the entire
machine is considered to be the best to minimize the CFD errors and to get a
reliable simulation.
These computer results are compared with laboratory measurements in
order to to validate the method and to determine main CFD simulation
failures. The pressure measurements in the stationary frame, whose points
are the mainly analysis issue, are performed with piezoresitive miniature
Summary vi
pressure sensors located in several locations at two of the 20 distributor
channels: the first and the last one.
Very good agreement between simulation and laboratory results is found in
general for the high discharge operating point but some discrepancies are
discovered for the partial load one.
Posible causes and the description of the flow behaviour are included in this
paper. For example, eddies and small whirls can be born due to the lack of fit
between the machine geometry and water velocity triangles at partial load.
This type of phenomena creates instability and unsteadiness that it is not
completely well simulated by CFD methods.
This project can provide a first reference analysis for more detailed studies in
the future.
According to this, most relevant differences between CFD results and
experimental data can help to advice where and how the numerical method
should be improved and checked. On the other hand, as CFD results are
obtained for the whole machine, all around the channels and at all locations
in the pump-turbine, unexpected or surprising results discovered by the
observation of CFD analysis for any point would suggest to include a sensor
at that location during the next laboratory experimental test.
To sum up, the comparison of both results can help to improve the hydraulic
machines development, by finding current machines weaknesses, risks and
operating problems as well as by checking the CFD methods errors, in order
to improve them for machine design and redesign.
Table of Content vii
TABLE OF CONTENT
1 Introduction................................................................................... 2
1.1 THE HYDRODYNA PROJECT ........................................................ 3
1.2 Brief overview of hydro power sector situation. .......................... 3
1.3 Introduction to Hydraulic Turbomachines. ................................... 7
1.3.1 Variables definition. Classification of Turbomachines ...... 7
1.3.2 Nomenclature............................................................................ 12
1.3.3 Power conversion and Balance............................................... 14
1.3.4 Euler equations ......................................................................... 18
1.3.5 Rotor-stator Interaction in Francis Pump-Turbines. .......... 22
1.3.6 Frequency Analysis. ................................................................. 26
2 Numerical Simulation and CFD Methods ............................ 28
2.1 Introduction to Computational Methods...................................... 28
2.2 CFD (Computational Fluid Dynamics) ......................................... 30
2.2.1 The Choice of the Physical Approach. .................................. 31
2.2.2 The mathematical model ......................................................... 32
2.2.3 The Discretization Method..................................................... 33
2.2.4 The implementation of numerical algorithms and Solution.
36
2.3 CFD for Turbomachinery. ............................................................... 37
2.4 CFD historic evolution.................................................................... 38
2.5 CFD Error Estimation ................................................
