Vortex generator's effect on trailing edge wake and fluid structure interaction

Abstract

Detaljer rundt bruk av virvelgeneratorer i hydrodynamiske miljøer og deres effekter på mildning av virvelinduserte vibrasjoner er ennå ikke tilstrekkelig undersøkt i litteraturen. Vannkraftverk som er utsatt for disse strukturelle vibrasjonene, som kan føre til tidlig svikt av komponenter som turbinblader og stagskovler, kan dra nytte av mildningen av disse effektene. For å belyse dette temaet er det utført en eksperimentell studie ved Vannkraftlaboratoriet ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Effekter av virvelgeneratorer festet på den stumpe bakkantlisten av en hydrofoil ble studert og sammenlignet med en tilsvarende hydrofoil uten virvelgeneratorer som hadde blitt vist til å oppleve en tilstand av synkronisering på grunn av virvelinduserte vibrasjoner. Detaljerte bilder av strømingsfeltet til hydrofoil vaken ble anskaffet ved bruk av "particle image velocimetry" og vibrasjonsfrekvenser ble målt ved bruk av strekklapper lokalisert nær bakkantlisten av hydrofoilen. Resultatene indikerer at langsgående virvler som er generert av virvelgenratorene er i stand til å bryte opp den jevne fordelingen av virvelarkene som dannes ved bakkantlisten av hydrofoilen og dermed effektivt dempe di virvelinduserte vibrasjonene. Dermed kan bruken av virvelgeneratorer på enheter som opplever alvorlige strukturelle vibrasjoner bidra til å dempe disse vibrasjonseffektene.

Details around vortex generators (VGs) used in hydrodynamic environments and their effects on the mitigation of vortex-induced vibrations (VIVs) have yet to be adequately studied. Hydroelectric power plants are prone to these severe structural vibrations, which can give rise to premature failure of important hydro machinery components, and can benefit from the mitigation of these effects. In order to shed light on this topic, an experimental study has been conducted at the Waterpower laboratory of the Norwegian University of Science and Technology. Effects of VGs attached on the blunt trailing edge of a hydrofoil were studied and compared to a corresponding hydrofoil without VGs, which is shown to experience a state of lock-in due to VIVs. Detailed flow field images of the hydrofoil wake were obtained using particle image velocimetry (PIV) and vibration frequencies were measured using strain gauges situated close to the trailing edge of the hydrofoil. The results indicate that the longitudinal vortices generated by the VGs are able to break up the uniformity of the vortex sheets forming at the trailing edge of the hydrofoil, effectively mitigating the VIVs. Thus it shows that applying VGs at the trailing edge of devices, which tend to experience severe structural vibrations could help mitigate these vibrational effects.