Investigation of corner vortex in radial cascade and interaction with the trailing edge vortex

Abstract

Virvelavløsning fra objekter er et strømningsfenomen som kan finnes blant industrielle applikasjoner. Strømningsfenomenet avløser virvler som fører til vibrasjon. Denne vibrasjonen kan forsterkes, dersom virvelavløsningsfrekvensen sammenfaller med egenfrekvensen til et objekt. I sammenheng med vannkraft, er det spesielt viktig å unngå vibrasjon. I de siste tiårene med vannkraft har jakten på økt hydraulisk effektivitet og kostnadseffektive blader ført til produksjon av tynnere blader i hydrauliske turbiner. Samtidig opererer vannkraftverk stadig mer utenfor sitt optimale lastområde. Dette har ført til høyere dynamiske belastninger på bladene, noe som gjør dem mer utsatt for utmattelsessprengning. Følgelig har det skjedd flere strukturelle feil det siste tiåret, noe som gjør det til en økende bekymring. Derfor, er det viktig å forstå strømningsfenomenet.

Turbin blader har forskjellige karakteristikk for virvelavløsning, avhengig av formen til bakkanten. Men når virvelavløsningsfenomenet reagere med andre sekundære virvelfenomener som utvikles langs rot veggen, kan strømningskarakteristikken nedstrøm for bakkanten bli endret. Denne oppgaven undersøker interaksjonen mellom virvelavløsning og hjørnevirvel. En tredimensjonal sirkulær kaskade av tre blader har blitt utviklet. Simulering i form av numerisk strømningsberegning har blitt utført for ulike bakkant geometrier. Simuleringene har blitt utført for NACA 6412 hydrofoiler med avstumpet, asymmetrisk, og symmetrisk bakkant. I tillegg har hydrofoilene blitt simulert for tre ulike angrepsvinkler. Turbulensmodellen shear stress transport-scale adaptive simulation (SST-SAS) har blitt brukt til å simulere. Det korde-basert Reynoldstallet er omtrent 3.0 10^5.

Virvelavløsningsfrekvensen ble bestemt for hver hydrofoil. Resultatene viser at hydrofoilen med asymmetrisk bakkant gir høyest virvelavløsningsfrekvens. Videre, fører økning av angrepsvinkel til høyere virvelavløsningsfrekvens. Resultatene tyder på at virvel styrken er omvendt proporsjonal med virvelavløsningsfrekvensen.

Interaksjonen med hjørnevirvelen ble analysert med kvalitativ tilnærming. Resultatene viser at hjørnevirvelen utvikler seg forskjellig avhengig av formen på bakkanten. Bakkanten med avstump utviklet en noe mer turbulent hjørnevirvel sammenlignet med de andre bakkantene. Virvelavløsningsfenomenet langs spennvidde på hydrofoilen, indikerer å være påvirket av hjørnevirvelen. Men dette samspillet er ikke forstått. Når angrepsvinkelen øker, blir virvelavløsningsfenomenet sterkere og parallell i nærheten av indre turbin vegg. Dette antyder at virvelfrekvensen langs spennvidden kan bli forandret av hjørnevirvler som dannes i hydrauliske turbiner. Noe som krever videre forskning.

Vortex shedding is a fluid phenomenon encountered in a wide variety of engineering applications. The phenomenon is capable of inducing severe vibration whenever the frequency of the vortex shedding overlap with one of the structure's natural frequencies. In the context of hydraulic turbines, it's an important flow feature to mitigate. However, mechanical challenges are appearing in the new age of hydropower. Where the turbine blades are manufactured thinner to increase the hydraulic efficiency. At the same, hydropower plants are increasingly required to operate beyond their designed range. This has resulted in a higher dynamic load on the turbine structure. Consequently, several structural failures have been reported in the last decade, making it a growing concern. Thus, it is important to properly understand such a phenomenon.

Turbine blades have different vortex shedding characteristic that depends on the trailing edge shape. However, when the trailing edge vortex interacts with the corner vortex, which is also known as the hub vortex, in hydraulic turbines, the wake characteristic changes. The present work investigates vortex shedding and its interaction with the corner vortex. A three-dimensional radial cascade of three blades is prepared and simulated for different trailing edge profiles. Simulations were performed for NACA6412 hydrofoils with truncated, symmetric, and oblique trailing edges at three angles of attack each. A shear stress transport-scale adaptive simulation (SST-SAS) model was employed with a chord-based Reynolds number of 3.0 $\cdot$ 10$^5$.

Vortex shedding frequency was determined for each hydrofoil. The results show that the oblique trailing edge yields the maximum shedding frequency. The study indicates that an increase in the angle of attack led to an increase of vortex shedding frequency. On the other hand, vortex strength is inversely proportional to the corresponding shedding frequency.

Interaction of corner vortex was analysed with a qualitative approach. The results showed that the corner vortex develop differently depending on the trailing edge shape. The truncated trailing edge shape illustrated a more turbulent corner vortex downstream compared to other hydrofoils. The corner vortex is indicated to influence the configuration of vortex shedding along the span. However, the interaction is not well understood. When the angle of attack increased, vortex shedding was parallel and stronger near the hub, which suggests that the frequency can be altered along the span by the corner vortex generated in hydraulic turbines. This requires further research.