Modelica model of transient pipe flow in hydraulic laboratory systems using the method of characteristics

Abstract

Eksperimentelle oppsett i hydrauliske laboratoriesystemer er ofte avanserte. Målinger, f.eks. ved innløpet til turbiner, kan bli påvirket av det hydrauliske oppsettet og av karakteristikken til strømningen oppstrøms i systemet. Det er derfor ønskelig å ha tilstrekkelige modelleringsverktøy som kan brukes til å simulere de dynamiske effektene i slike systemer.

Et programmeringsbibliotek kalt OpenWPL har blitt bygget ved å bruke karakteristikkmetoden. Det ble laget i programmeringsspråket Modelica, som har åpen kildekode, ved hjelp av programvaren OpenModelica. Simuleringer som belyser bruksområdet til OpenWPL har blitt utført, og resultatene har blitt sammenlignet med referanseverdier.

Det ble funnet ut at karakteristikkmetoden ble korrekt implementert i rørkomponenten, både med og uten friksjon. Når resultatene ble sammenliknet med referanseverdiene ble det imidlertidig avdekket at grensebetingelsene i røret representerer en feilkilde i ukjent omfang. Feilen som ble oppdaget var mest utbredt ved få simuleringssteg for lengde. Samtidig er det problemer tilknyttet seriekobling av rør i biblioteket, og det er usikkert om disse problemene har rot i samme feilkilde som ved grensebetingelsene.

OpenWPL er foreløpig ikke i stand til å avdekke hvilke dynamiske effekter som finnes i hydrauliske laboratoriesystemer. Biblioteket representerer i stedet et godt fundament som kan videreutvikles til et mer komplekst og fullverdig bibliotek i fremtiden.

Hydraulic laboratory systems often house complex experimental setups. Measurements at certain locations, e.g. turbine inlet, may be affected by the hydraulic system and the characteristics of the upstream flow. It is therefore desirable to have sufficient modelling tools which can be used to simulate the dynamic behaviour of such systems.

A programming library named OpenWPL has been created using the method of characteristics. It was created in the open-source programming language Modelica using the software OpenModelica. Simulations highlighting the utility of OpenWPL have been performed, and the results have been compared to benchmarking cases.

It was revealed that the method of characteristics was successfully implemented into the pipe component of the library, both with and without friction. However, it was also revealed that the boundary conditions represented an unidentified source of error when comparing the results to the benchmarking cases. These errors were most prevalent for a low resolution of steps in space. Simultaneously, it also became evident that there was an issue when connecting pipes in series within the library. It is unknown if this is related to the errors within the boundary conditions.

OpenWPL is currently not capable of revealing the system dynamics of hydraulic laboratory systems. Rather, the library represents a good foundation that can be further developed into a more complex and full-fledged library in the future.