Numerisk simulering av en Pico-turbin

Abstract

I denne masteroppgaven dokumenteres prosessen ved et design av en pico-turbin som skal levere nok effekt til å drive kontrollenheten til en urinal ved å bruke ca. 15 % av trykket oppstrøms av turbinen. Oppgaven omfatter konstruksjonen av et løpehjul med et forenklet design, oppsett av numerisk modell (OpenFOAM 7), samt planlegging og et delvis design av et laboratorieforsøk for å teste turbinen og validere dataene fra den numeriske modellen. På grunn av nedstengingen av Gløshaugen campus 12. mars 2020, ble laboratorieforsøket avlyst. Arbeid med laboratorieeksperimentet fram til dette tidspunktet er tatt med i oppgaven, selv om arbeidet ikke er ferdigstilt.

Resultatene fra CFD-modellen er ikke validert på grunn av avlysningen av laboratorieeksperimentet. I stedet er det gjort en kontroll-volum-analyse over løpehjulet, som bestrider resultatene fra CFD-modellen.

De uvaliderte resultatene fra CFD-analysen viser at turbinen benytter energien fra strømningen på en svært dårlig måte. Dette gjøre at virkningsgrad til turbinen bare er 4 %. Analysen viser også at turbinen ikke klarer å skape nok trykkfall til å kunne hente ut nok effekt til å drive kontrollenheten til en urinal.

This master thesis documents the process of designing a pico turbine that supplies a controlling unit of a urinal with power using approximately 15 % of the head pressure. The thesis envelopes the construction of a simplistic runner, setup of a numerical model (OpenFOAM 7) and a partially finished design of a laboratory experiment intended to validate the numerical model. Because of the lockdown of Gløshaugen campus March 12, 2020, the laboratory experiment is canceled. The thesis documents the work with this experiment until this point, even though it is not finished.

The results from the CFD model have not been validated due to the cancellation of the laboratory experiment. To validate the results a control volume analysis is conducted, but the results from this analysis contradicts the results from the numerical model.

The unvalidated results from the CFD analysis shows that the turbine is utilizing only a small portion of the energy extracted from the flow. This yields an efficiency of only 4 %. The analysis also shows that the turbine does not produce a high enough pressure drop to be able to sustain the controller unit of a urinal with power.