Modelování proudění v hydrodynamickém čerpadle

Abstract

Předmětem disertační práce je numerické modelování proudění v hydrodynamickém čerpadle s nízkou hodnotou rychloběžnosti. Geometrie čerpadla byla definována na základě skutečné realizace čerpadla navrženého na Odboru fluidního inženýrství Victora Kaplana VUT v Brně. Hlavním cílem práce je predikce charakteristik čerpadla (průběh dopravní výšky, příkonu a účinnosti v závislosti na průtoku) a dále určení radiální a axiální síly v celém rozsahu vyšetřovaných průtoků. Byly použity dva rozdílné přístupy k modelování statoru a rotoru, a to technika Multiple Referce Frame vedoucí na stacionární řešení úlohy a Moving Mesh spočívající v řešení časově závislé úlohy. Většina výpočtů byla realizována pro zjednodušenou geometrii sestávající ze vstupní části, oběžného kola a spirály. V případě predikce axiální síly byla tato geometrie doplněna i o vlastní těleso čerpadla. Výsledky získané pomocí numerického modelování byly srovnány s měřenými charakteristikami čerpadla i teoretickými předpoklady. Je poukázáno na přínos numerického modelování pro vyšetřování proudění v komplexní geometrii hydraulických strojů stejně jako i na určitá omezení.

This thesis deals with numerical modelling of the flow inside the hydrodynamic pump with low specific speed. The geometry of the hydraulic parts was defined according to pump with the impeller that was designed at the Victor Kaplan Department of Fluid Engineering, Energy Institute, Technical University Brno. The main objective was to determine pump performance characteristics (variation of head, power consumption and efficiency on the flow rate) as well as radial and axial forces using computational fluid dynamics. Two approaches to rotor stator interaction were applied: Moving Reference Frame and Moving Mesh. The method MRF provides only stationary solution of values, but the Moving Mesh approach shows time variation of them and enables to account for interaction of impeller and volute. Different turbulence models and solution parameters were tested. The entire operating range from Q = 0 to Qmax considered in the design was investigated. Most of the calculation was performed on simplified geometry consisting only of three parts: intake, impeller and volute. In case of axial thrust prediction the geometry including also the pump casing was applied. The obtained results were compared with the experimental data and the theoretical assumptions. Both advantages and limitations of the numerical modelling are presented. The applied methods can be utilized as an appropriate approach to treat complex turbulent flow encountered in hydraulic machines.