Splitter plate’s effect on trailing edge vortex shedding and fluid structure interaction

Abstract

Oscillerende fluid-struktur interaksjoner grunnet virvelavløsninger er en godt kjent kilde til vibrasjoner i komponenter tilhørende hydromaskineri. Disse vibrasjonene kan føre til skader og tidlig utmattelse av komponenter som turbinblader og ledeskovler. Derfor er det veldig interessant fra et industrielt perspektiv å kunne dempe virvelavløsninger, og følgelig dempe vibrasjoner i disse komponentene, for å øke levetiden. Det har det blitt satt i gang en forskningskampanje på Vannkraftlaboratoriet ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU), hvor effekten av hvordan forskjellig endedesign på en hydrofoil kan redusere virvelavløsning. Det har blitt gjort arbeid for å forberede en test rig til å utføre PIV- (Particle Image Velocimetry) målinger av vaken bak en hydrofoil.

Som en del av denne forskningskampanjen skal denne masteroppgaven fokusere på effekten av å bruke en splitterplate festet på enden av en hydrofoil, for reduksjon av virvelavløsninger. Splitterplater har vist god effekt for demping av virvelavløsninger på sylindere, og det er derfor interessant a ̊ undersøke om effekten er like god ved bruk på en hydrofoil.

I utgangspunktet var planen å utføre PIV målinger av hydrofoilen med splitterplate, men på bakgrunn av utbruddet av Covid-19 viste dette seg å bli vanskelig. Nedstengningen av universitetet førte til utsettelser i laboratoriearbeidet som var planlagt for våren 2020, hvilket resulterte i at PIV målingene for hydrofoil med splitterplate ble tatt av programmet. Dette medfører at det ikke vil bli presentert noen resultater for det foreslåtte designet. Som en erstatning vil det bli presentert noen resultater for PIV målinger utført på en hydrofoil med et annet endedesign. Dette endedesignet ble prioritert over splitter plate, da det ble vurdert mer relevant til hele forskningskampanjen sett under ett. Fluidmekanikken bak disse resultatene vil ikke bli diskutert i særlig grad, da dette designet ikke blir omtalt gjennom oppgaven. Resultatene vil bli diskutert mer på bakgrunn av fremgangsmåten for å komme frem til dem, hvor også usikkerheter rundt målingene blir diskutert. Konklusjonen trekkes ut fra hvor vidt måleteknikken, PIV, ville egnet seg for målinger av det planlagte designet med splitterplate.

Oscillatory fluid structure interactions due to vortex shedding is a well known source of vibrations experienced by components in hydro machinery. This phenomena is called vortex induced vibrations (VIVs), and are known to cause damage and early fatigue of components like turbine blades and guide vanes. Being able to mitigate these VIVs of such components is very interesting in an industrial perspective, given that this extends the life time of vital components in hydro machinery. In light of this, a research cam- paign investigating how different trailing edge designs can reduce VIVs on a hydrofoil is being carried out at the Waterpower laboratory at the Norwegian School of Science and Technology (NTNU). Work has been performed to prepare a test rig at the Waterpower laboratory for doing Particle Image Velocimetry (PIV) measurements of the wake flow behind a hydrofoil.

As a part of this research campaign, this master thesis is focusing on how the use of a splitter plate attached at the trailing edge of a hydrofoil can mitigate VIVs. Splitter plates have shown to be dampen vortex shedding when used on cylinders, and it is there- fore interesting to investigate if they have the same effect on hydrofoils for use in hydro machinery.

The initial plan was to conclude a PIV measurement campaign of the hydrofoil with splitter plate. Yet, due to the outbreak of the global pandemic, Covid-19, things did not go exactly after the plan. The shut down of the university caused delays on the labora- tory work, which resulted in taking the hydrofoil with splitter plate measurements off the program. PIV measurements of a hydrofoil with another trailing edge modification have been carried out, and the results from these measurements are presented in this thesis. This trailing edge modification got prioritized above the splitter plate due to higher relevance to the over all research campaign. The outcome off this thesis will be divided in two parts, with the first part building up to a measurement campaign. using splitter plate and the second part presenting results from another measurement campaign. In presentation of the results, the fluid mechanics behind will not be discussed, as the used trailing edge modifi- cation is not investigated earlier in the thesis. The results will be discussed more on how the experimental method of PIV works, and a conclusion will be drawn on how well PIV would work for the initial case with splitter plates.