Francis türbini yayıcısındaki akışın modellenmesi
Modelling of fluid flow in francis turbine draft tube
Yazar: AYDIN HACI DÖNMEZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünyadaki enerji talebi artışına bağlı olarak, francis tipi hidrolik türbinlerinin sayısıve kapasitesi de gün geçtikçe artmaktadır. Ülkemizdeki hidroelektrik santrallerinbirçoğunda Francis tipi türbinler kullanılmaktadır. Bu nedenle, bu tip tesislerinişletimi büyük önem taşımaktadır.Francis türbinli tesisler, termik santrallerin aksine, çoğu zaman optimum verimnoktasının uzağında çalıştırılmaktadır. Bu durumun en önemli nedeni enerjipiyasasındaki talebin esnekliğidir.Çalışamada, Francis türbini yayıcısındaki akış modellenmeye çalışılmıştır. Öncelikle,geometriyi basitleştirmek adına sadece genişleyen kanaldan ibaret olan dirseksiz biryayıcı modellenmiştir. Ayrıca, kanal simetrik olduğundan, kanalın dörtte biri çizilmişbu sadece bu alanda çalışılmıştır. Sınır şartlarında simetri yüzeyleri belirlenmiştir.Böylelikle, bilgisayar işlemci yükü büyük ölçüde azaltılarak daha kısa zamandasonuçlar elde edebilmek mümkün olmuştur.Modelleme sırasında, türbin girişindeki hız değerlerinin hangi mertebelerde olduğubilindiğinden, girişte hız sınır şartı kullanılmıştır. Çıkışta ise akışkanın hızınıntanımlanması son derece zordur. Ancak, yayıcının çıkışının atmosfere açık olduğuunutulmamalıdır. Bu da çıkış basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu, yani mutlakbasıncın sıfır olduğu durumdur. Çıkışta bu nedenle basınç sınır şartı kullanılmıştır.Francis türbini yayıcısına gelen akışın, türbin çarkından çıktığı göz önüne alınacakolursa akışın modellenmesi konusunda bize önemli bir fikir verecektir. Bu bağlamda,suyun hızının, akışkanın kendiliğinden aşağıya doğru hareketi sırasında kazandığı bireksenel bileşeni; türbin çarkının dönme etkisinden kaynaklanan da bir teğetsel(çevresel) bileşeni olduğu düşünülebilir. İşte bu noktada, silindirik koordinatlardaçalışılarak, akışkanın farklı eksenel ve çevrel hız bileşenlerine sahip olduğu durumlarirdelenmiştir. Ayrıca, çevresel hız bileşeninin şiddeti arttıkça akış ayrılmalarının vegirdap oluşumlarının arttığı da görülmüştür.Burada, literatür çalışmaları incelendiğinde, bu yöntemin sadece bir yaklaşım olarakkalabileceği ortaya çıkmıştır. Çünkü yayıcı içindeki akış hızının eksenel bileşeniüniform olarak kabul edilebilinirken; teğetsel bileşeninin başta giriş kesitininmerkezinden olan radyal uzaklık olmak üzere, birkaç değişkenin fonksiyonu olduğugörülmüştür. Bu nedenle çalışmanın daha sonraki aşamasında bu çevresel hız profilitanımlanmıştır.Çevresel hız profilinin tanımlanması için kullanıcı tanımlı fonksiyonlarkullanılmıştır. Kullanıcı tanımlı fonksiyonlar C programlama dili ile yazılan vemevcut kodun özelliklerini iyileştirmek adına, kullanıcı tarafından programlanarakFLUENT'in çözücüsüne dinamik olarak yüklenebilen fonsiyonlardır. Bu yöntem ileçevrel hız profili oluşturularak FLUENT'in çözücüsüne yüklenmiş ve çevresel hızdeğerleri belirlenen fonksiyona bağlı olarak elde edilmiştir.Çalışmanın son aşamasında dirsekli bir francis türbini çizilerek modellemeyapılmıştır. Burada da, tıpkı dirseksiz yayıcının modellenmesinde olduğu gibi,xviyayıcının simetrik özelliğinden faydalanılarak, yarısı üzerinde sayısal çözüm ağıoluşturulmuştur. Bir önceki çalışmada yapılan, çevresel hızın belirlenmesinde,kullanıcı tanımlı fonksiyonların kullanılması işi burada da yapılmıştır.Dirsekli francis türbininin modellenmesinde gerçek bir türbinin model deneyi verilerikullanılmıştır.

Abstract:
Depending to the increase of enery demand in the world, the number and capacity ofhydraulic turbines are increasing day after day. Most of the hydraulic turbines inTurkey are Francis type hydraulic turbine so, operation and maintenance of francisturbines is an important issue.On the contrary to thermal power plants, hydraulic turbines operates mostly awayfrom their best efficiency point. This occurs mostly due to the flexibility in the enegymarket.This study is related with the fluid flow modelling in francis turbine draft tubes. Twotypes of dfrat tube are examined: Draft tube as divergent channel and draft tube withelbow. In order to simplfy the geometry, first of all draft tubes without elbow(divergent channel only) are investigated. The study starts with forming thegeometry. The geometrical shape of the draft tube is a truncated cone. However, onlythe quarter of the model is generated. Due to the symmetric geometry of thetruncated cone draft tube, the quarter of the model can be constructed. This will behelpfull to decrease the processor load becouse only the one fourth amont of meshwill be generated.Determining the boundary conditions is also an important issue. The order ofvelocity at inlet is known aproximatelly in this kind of flows so, as inlet boundarycondition ?velocity inlet? is used. On the other hand, measurement of velocityquantities is very difficult. Fortunately, there is another information that can bu usedas a bounday condition. The outlet of the draft tube is open to the atmosphere. Thismeans that the outlet pressure is atmospheric pressure, and gage pressure is zero. So,?pressure outlet? boundary condition is set. The exterior face is defined as ?wall? andsymmetry faces are defined as ?symmetry? while defining the other boundaryconditions. These modelling and mash generation processes are done by the help of?Gambit?.During meshing procedure, first off all boundary layer creation operation is done.This is a vital approach in order to get the expected turbulance values likedimensionless wall distance (y+).In order to work with near wall treatment, dimensionless wall distance should notexceed 5. This requires finer mesh at near wall regions. As a result mesh number andcomputer work increases.After generating boundary bondition at channel wall surface mesh generationprocedure continues with meshing inlet and outlet surfaces. These surface meshes arevery important becouse the whole geomery will be meshed by the help of thesesurfaces. These surface meshes will be helpfull for base generation for the mesh.Another important issue in meshing procedure is setting mesh element types. Thereare three corners at inlet and outlet surfaces. The corner vertex is set as ?trielement?xviiiand the other two corners are set as ?end?. As a result quadrilateral mesh elementsexcept first row of the mesh surface is obtained easily. So, mapped mesh elementsare acquired.While modelling the flow in draft tube, it should be considered that the fluid comingto the inlet of the draft tube comes from the runner of the hydraulic turbine. In thisrespect, it can be seen that water falling from the dam forms an axial velocity and therunner of the hydraulic turbine forms a tangential component for the velocity.Simply, it can be said that, the inlet velocity has two components: axial andtangential.In this study the various combination of different axial and tangential velocity valuesare analyzed. It is obviously seen that, as the tangential component of the velocityincreses, flow seperations and vortex generations increases. Tangential velocitycomponent varied from 1 m/s to 4 m/s.On the other hand, its seen that constant tangential velocity componentapproximation is not realistic and reliable.After literature review, it is clear that the axial componenet of the can be modelled asuniform and constant but, the tangential velocity component is a function of theradial distance from the center of the inlet ?r?. Therefore, from now on it is a must todetermine this tangential profile.In order to define the tanmgential velocity profile user defined functions (UDF) areused. A user defined function, or UDF, is a function that you program that can bedynamically loaded with the FLUENT solver to enhance the standard features of thecode. For example, you can use a UDF to define your own boundary conditions,material properties, and source terms for your own regime, as well as specifycustomized model parameters (e.g., DPM, multiphase models), initialize a solution,or enhance post-processing. UDFs are written in the C programming language usingany text editor.By the help of the compiled UDF?s study continued with the variable tangentialvelocity at same geometry. The tangential velocity profile defined as a function ofradial distance (r), angular velocity (?) and characteristic vortex radius (R). Afterseveral analyses, dimensionless tangential velocity versus dimensionless radiusgraphics is obtained at different angular velocities and characteristic vortex radii. It isseen that the results are in good agreement with the results taken from literaturereview.As a last step of the study, a draft tube with elbow is simulated. It is obvious that thegeometry of draft tube with elbow is much more complicated becouse the geometrystarts with diverging circular cross section, continues with varying elliptical crosssection at elbow and ends up with diverging quadrilateral cross section. So,encountering more and more complicated flow conditions must be expected by asimple overview.Becouse of the hardness of the geometry, modeling had done with ?Solid Works?and meshing was carried on by ICEM. On the other hand, there is no option forboundary layer mesh in ICEM so, it would not be possible to have fine mesh nearwall regions. Due to this problem, while modellig a real and bigger draft tube insteadof enhanced wall treatment, standart wall functions are used. Moreover, flowanalyses are done by ?FLUENT?.xixAfter several analyses, case and data files saved and post-processing stage startedoff. During post-processing procedure, CFD Post is used which is a workbench underANSYS.The draft tube is divided into three stages: entrance, elbow and outlet. At each part ofthe draft tube, at least three surfaces created which are perpendicular to the flowdirection. At those surfaces velocity fields, pressure fields and streamlines areexamined.It is seen that the 90° elbow disturbs uniform fluid flow. The velocity vectors and 2-D streamlines at the symmetry surfaces obviously showed the characteristic featuresof the flow. The flow seperations and vortex formations were clearly seen. Especiallythese flow seperations and vortex formations occur after the elbow section at partialload. As a result, it can be said that besides the tangential velocity component of thefluidn at inlet, the elbow of the draft tube causes flow seperations and vortexformations. Moreover, pressure fields, vorticity profiles and the streamlines at thewhole computational domain are also visualized.In conclusion, when hydraulic Francis turbines works far away from their operatingpoints many unwelcome consequences occurs like flow seperations and vortex ropeformations. These consequences led to noise and vibrations during operation. As aresult, the lifetime of that equipment sharply decreases. Due to these problems, theseplants should not be worked far away from their designed operating points.