Optimization of a sediment separation system for high head hydropower plants by means of numerical simulation

Abstract

Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueftAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersDas Institut für Energietechnik und Thermodynamik der technischen Universität Wien (TU Wien) beschäftigt sich seit einigen Jahren mit der Entwicklung eines Axialzyklons. Dieser soll Sedimente aus Druckrohrleitungen entfernen und somit den Verschleiß (Abrasion) in Wasserkraftanlagen, insbesondere Hochdruckanlagen verringern. Nach ersten Laborversuchen und CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen wurden Verbesserungen an der Anlage vorgenommen. An dieser Anlage wurden Geschwindigkeits- und Druckmessungen, sowie eine Partikelstudie zur Bestimmung des Abscheidegrades der Sedimente durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit war die Simulation der Anlage mittels CFD und eine Validierung der Ergebnisse. Aufgrund dieser Daten soll eine Optimierung der Anlage erfolgen. Die erste Aufgabe bestand in der Anpassung der vorhanden Rechengitter an die optimierte Anlage. Danach erfolgte die Simulation mit verschiedenen Reynolds-Spannungs-Turbulenzmodellen. Die Ergebnisse wurden mit den Messdaten aus dem Laborversuch verglichen. Dabei wurden besonders auf mögliche Ablösungen an den Umlenkschaufeln und die Geschwindigkeitsprofile in der Trennstrecke geachtet. Der letzte Teil der Simulation beschäftigt sich mit der Partikelstudie. Diese erfolgte, wie im Laborversuch, mit Quarzsand und gestaffelt auf sieben Durchmesserbereiche der Partikel von 63 bis 250 μm. Bei den ersten CFD-Simulationen gab es deutliche Abweichungen zu den Messergebnissen des Labormodells. Die Ursache dieser Diskrepanzen wurde gefunden und die Ergebnisse der aktuellen Berechnungen stimmen bei den Strömungsgrößen sehr gut mit den Labordaten überein. Bei den Abscheidegraden gibt es sehr deutliche Abweichungen von den Messwerten. Die möglichen Ursachen für diese fehlerhafte Berechnung werden mit dem ANSYS Support besprochen.The Institute for Energy Systems and Thermodynamics of the Vienna University of Technology is working on the development of an axial-Cyclone for years. It should remove sediments from the pressure pipes of hydropower plants and reduce the wear on the turbines. The first experiments and simulations lead to improvements in the construction. The experiments were repeated on this improved system. That includes measurements of velocity, pressure and separation efficiency. The goal of this master thesis was to simulate the improved construction with CFD (Computational Fluid Dynamics) and evaluate the results. This should lead to further improvements of the plant. First the computational grid had to be adapted for the improved construction. This mesh was used in simulations with two different reynolds tension turbulence modells. The results were compared to the experiment data, with special regards to detachmants at the guide vanes and the velocity profiles in the separation section. The last part of the simulation was the calculation of the particle tracks and the resulting separation efficiency. The particles were split in seven diameter sections ranging from 63 to 250 μm. The first CFD-Simulations showed significant deviations from the experiment data. After finding the reasons the results for the flow are matching pretty well. There are still very clear defferences in the separation efficieny. These are currently under investigation at the ANSYS Support.9