Investigation of a hydrofoil for resonance condition

Abstract

Med det økende globale energibehovet, blir fornybare energikilder stadig viktigere. På grunn av de økende effekttoppene i markedet, kreves det at vannkraftverk opererer over et bredere spekter av dynamiske belastninger, samt stoppe og starte hyppigere. Denne økte etterspørselen etter en mer fleksibel vannkraft fører til økende bekymring for konsekvensene knyttet til ustabil og skadelig drift av maskineriet. Disse konsekvensene inkluderer sprekker, utmatting og, i verste fall, fullstendig strukturell svikt.

En av de potensielt skadelige mekanismene er virvelinduserte vibrasjoner (VIV), som oppstår fra fenomenet virvelavløsning. Når virvlene løsner fra bakkanten av bladet, utøver de en tverrkraft som virker på strukturen og får den til å vibrere. Når frekvensen av denne virvelavløsningen samsvarer med egenfrekvensen til strukturen, oppstår resonans. Dette resonansområdet kalles "lock-in".

Målet med denne masteroppgaven er å undersøke fenomenet virvelavløsning for et aksesymmetrisk blad i en sirkulær turbin, gjennom numerisk analyse av høy kvalitet. Den aktuelle turbinen er en datamodell av en ekte testrigg ved Vannkraftlaboratoriet ved NTNU. Etter forfatterens kunnskap har virvelavløsningen og frekvensen av virvelavløsning ennå ikke blitt gjenskapt og rapportert for den aktuelle modellen.

Den numeriske undersøkelsen ble utført for en konfigurasjon som inneholder ett enkelt blad av turbinen. En estimering av lock-in-området ble gjort før den numeriske undersøkelsen. For en innløpshastighet på 9.8m/s, eller et chord-basert Reynolds tall 2.81·10^6, var simuleringen ved bruk av turbulensmodellen LES WALE vellykket i å gjenskape virvelavløsningen. Frekvensen av virvelavløsningen ved bakkanten av bladet ble rapportert til å være mellom 1321Hz - 1428Hz.

As the global energy demand rises, renewable energy sources are becoming increasingly important. Due to the increasing fluctuations in the power market, hydropower plants must operate over a broader range of dynamic loads and stop and start more frequently. This increased demand for more flexible hydropower leads to a growing concern for the consequences related to the unstable and harmful operation of the machinery. These consequences include cracking, fatigue, and, ultimately, complete structural failure.

One potentially harmful mechanism is vortex-induced vibrations (VIV) arising from vortex shedding. As the vortices are shed at the trailing edge of the hydrofoil, they exert a transverse force acting on the structure perpendicular to the flow, causing it to vibrate. When the frequency of vortex shedding matches the eigenfrequency of the structure, resonance occurs in a region called "lock-in."

The objective of this Master's thesis is to investigate the phenomenon of vortex shedding for a hydrofoil in a circular blade cascade through high-quality numerical analysis. The blade cascade in question is a computational model of a real test rig of the Waterpower Laboratory at NTNU. To the author's knowledge, the vortex shedding and frequency of vortex shedding have yet to be captured and reported for the model in question.

The numerical investigation was conducted for a configuration containing a singular hydrofoil of the blade cascade. An estimation of the lock-in region was made before initiating the numerical investigation. For an inlet velocity of 9.8m/s or a chord-based Reynolds number of 2.81·10^6, the simulation using the LES WALE turbulence model was successful in reproducing the vortex shedding. The frequency of vortex shedding at the trailing edge was reported to be between 1321Hz - 1428Hz.