Numerisk modellering av termodynamiske prosesser i luftputekammer

Abstract

Det er i denne oppgaven utført numeriske simuleringer av en langvarig transient i et luftputekammer. Hovedfokuset har vært å gjenskape data fra feltmålinger av vannstand og trykk i luftputekammer ved magasinbytte i Jukla pumpekraftverk.Det ble ved dimensjonering av de første luftputekamre i Norge antatt isoterm tilstandsendring, og senere adiabatisk tilstandsendring. Det er imidlertid kjent at noe varmeutveksling vil oppstå. I forsøk på en riktig beskrivelse av dette er MRHT-metoden tidligere etablert. Denne baserer seg på at varme fra komprimering av luft blir transportert fra luften og ut til berget og vannet som kombinert konveksjon og konduksjon, simulert ved bruk av Newtons kjølelov. Varme fra faseoverganger og stråling blir neglisjert. MRHT-metoden er i denne oppgaven utvidet for simulering av varmestråling, ulike metoder for simulering av varmeutveksling fra faseovergang samt kombinasjoner av disse (totalmetoden).Ved slike transienter blir temperaturen på bergoverflaten høyere enn temperaturen til vannet. Dermed bidrar strålevarme til å føre varme ut av systemet og gir redusert temperatur og luftvolum. Det er ut fra dette beregnet at varmestråling utgjør cirka 6% av total varmeutveksling. Dette gir ikke tydelig påvirkning på øvrig resultat. Det vurderes derfor som rimelig å neglisjere effekten fra strålevarme ved beregning av transienter i luftputekammer.Varme fra faseoverganger ved kondensering blir tilført systemet, og bidrar til oppvarming av luften og berget. Dette resulterer i redusert vannstand, økt luftvolum og økt varmeledning via berg og vann. Det er gjort konservative antakelser for ikke å underdrive påvirkningen dette har. Det er funnet at effekten fra kondenseringsvarme var maksimalt 12% av total varmeutveksling, noe som er en betydelig andel. Resultatene for simulert vannstand, trykk og temperaturer tyder likevel på at påvirkningen av varmetilskuddet ikke gir betydelige endringer eller forbedringer sammenlignet med feltmålinger. Sammenlignet med MRHT-metoden ga totalmetoden noe lavere vannstand, større luftvolum og høyere temperaturer. Endringene i resultater for luftvolum var likevel mindre enn 1%. Videre er det i vurderingen tatt hensyn til relativt stor usikkerhet i feltmålingene som er brukt for å kalibrere modellene. De fleste resultatene fra simuleringen lå innenfor usikkerhetsgrensene til feltmålingene. I enkelte deler av simuleringen gir totalmetoden mindre differanse fra målingene sammenlignet med bruk av MRHT-metoden, i andre deler større. Hvorvidt de små endringene gir en bedret representasjon av virkeligheten vites derfor ikke. Endringene er ikke enstydige og store nok til å med sikkerhet kunne si om totalmetoden gir en forbedret numerisk modell. Bruk av totalmetoden gir dessuten merarbeid og ekstra usikkerhet som følge av kalibreringsbehov av ukjente parametre. De viktigste termodynamiske prosessene i et luftputekammer er den kombinerte konveksjonen i luften og konduksjonen i vann og berg. Disse er dominerende i forhold til strålevarme og varme fra faseoverganger. Dermed vurderes at en neglisjering av både varme fra stråling og faseoverganger er rimelig.