Influence of spatial and temporal parameters in a part load operating Francis Runner CFD simulation

Abstract

The thesis investigates the influence of spatial and temporal parameters on a conducted simulation of a Francis runner, that operates in off design condition.The timestep size in seconds, which correlates to one degree of a single runner revolution (dt), is refined in two stages. The first stage corresponds to 0.5° (0.5dt), and the second, finest timestep size equals the time in seconds, the runner requires to rotate 0.1° (0.1dt) of a full revolution. In the same manner, additional simulations with three different mesh sizes are performed. Due to the considerable computational effort, each spatially refined setup invokes the most coarse timestep size dt. With the results, obtained for each different mesh size, the procedure of a grid independency study is performed and documented. The influence of the total simulation time, is another topic considered in the scope of this thesis. Simulation time is conveniently expressed in terms of runner rotations. The simulation duration has been prolonged until approximately 70 full runner revolutions, in case of all simulations that invoke the coarse timestep size (dt). Almost 21 full rotations are simulated in case of the two temporally refined simulations (0.1dt and 0.5dt). The medium mesh size is considered in every setup, for each different timestep size. The signal of each monitored global parameter (hydraulic efficiency η_h, head H, and mechanical power P_mech) along the simulation, is plotted against the simulation duration T_sim. On the basis of these global parameters, the different refinements (spatial and temporal) are compared against each other. The global parameters are also used in the evaluation of the grid independency study. Additional signals, that are tracked by monitor points, which are located at the draft tube wall, are presented as well. Lastly, the occuring, large scale turbulence flow phenomenon, namely the rotating draft tube vortex rope, is visualised by the Q-criterion and compared between each spatially and temporally refined simulation.

Die Arbeit befasst sich mit dem Einfluss unterschiedlicher Zeitschrittweiten, sowie der unterschiedlichen Anzahl an Elementen, auf die Simulationsergebnisse einer Francis Turbine, die im Teillastgebiet arbeitet. Simulationen, mit drei verschiedenen Zeitschrittweiten (in Sekunden), welche geschickterweise in Grad einer vollen Laufradumdrehung ausgedrückt werden, sind simuliert worden. Der gröbste Zeitschritt entspricht einer Laufradrotation von 1° (dt) einer ganzen Umdrehung. Dieser wurde im ersten Schritt halbiert (0.5dt) und die Zeitschrittweite von 0.1° (0.1dt) stellt die feinste zeitliche Auflösung dar. Sinngemäß der Verfeinerung des Zeitschritts, wurden auch verschiedene Netzgrößen, simuliert. Angesichts der steigenden Elementanzahl sind diese mit grob, mittel und fein (coarse - medium - fine) betitelt. Da die Ergebnisse der Simulationen mit verschiedenen Netzgrößen den Ausgangspunkt einer Netzunabhängigkeitsstudie darstellen, wurde diese im Zuge der Arbeit ebenfalls durchgeführt. Ein weiterer Aspekt, mit welchem sich die Arbeit beschäftigt, ist der Einfluss der Simulationsdauer. Um die Simulationsdauer greifbarer darzustellen, wird sie in Laufradrotationen dargestellt. Somit wurden nahezu 70 ganze Laufradrotationen, aller Simulationen, welche den groben Zeitschritt aufweisen, simuliert. Aufgrundder erheblichen Berechnungsdauer sind die Simulationen mit den verfeinerten Zeitschrittweiten (0.1dt und 0.5dt) nur ganze 21 Laufradrotationen simuliert worden. Die räumliche Grundlage, jede zeitlichen Verfeinerung, ist das Netz, welches die mittlere Zellenanzahl aufweist. Während jeder Simulation sind diverse Größen, an definierten Punkten im Setup, aufgezeichnet worden. Alle Simulationsergebnisse und damit der Einfluss der zeitlichen und räumlichen Verfeinerung, werden anhand der definierten globalen Größen (Hydraulischer Wirkungsgrad η_h, Höhe H und mechanische Leistung P_mech) verglichen. Die selben globalen Größen werden im Zuge der Auswertung der Netzunabhängigkeitsstudie herangezogen. Das Signal weiterer, sogenannter Monitorpunkte an diversen Stellen der Saugrohrwand und der Einfluss der Verfeinerung (zetiliche, räumliche) auf dieses, wird ebenfalls dokumentiert.Zu guter Letzt wird die großskalige Turbulenzerscheinung, der rotierende Wirbelzopf, für die verschiedenen zeitlich und räumlich verfeinerten Simulationenverglichen.