Développement d'une stratégie de simulation fluide-structure avec le code Star-CCM+ pour l'étude de résonances dans les turbines hydrauliques

Autor: Bédard, Jacob
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2024
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise
Popis: Cette maîtrise s'inscrit dans le projet Tr-Francis du laboratoire Heki de l'Université Laval. Ce mémoire présente l'exploration de stratégies de simulation fluide-structure bidirectionnelle à l'aide du code Star-CCM+ dans le but d'étudier les résonances de turbines hydrauliques. Concrètement, le travail vise à déterminer si la stratégie disponible dans Star-CCM+ permet de reproduire la physique d'une résonance liée à l'interaction rotor-stator d'une géométrie tournante à symétrie cyclique, analogue à celle d'une turbine Francis. Pour ce faire, une géométrie plus simple, mais semblable à une aube de turbine est d'abord étudiée, un *hydrofoil*. Une simulation FSI bidirectionnelle est produite sur l'hydrofoil F99 en condition de synchronisation de la réponse structurelle avec le détachement tourbillonnaire. Cette première simulation permet de déterminer les paramètres généraux à utiliser. Cette simulation ne parvient pas à reproduire les résultats expérimentaux obtenus à l'Université de science et technologie de Norvège, principalement en ce qui concerne la fréquence d'émission des tourbillons. Étant donné que l'accroche n'est pas atteinte, la résonance n'est pas observée. Afin d'assurer que la stratégie est apte à reproduire la physique de la résonance, le module d'élasticité est modifié afin de faire concorder la fréquence naturelle de la structure à la fréquence des tourbillons. L'accroche des tourbillons est alors reproduite avec cohérence en ce qui concerne la déformation de la structure et de l'écoulement. La stratégie est ensuite adaptée afin qu'elle soit utilisée sur le cas test RSI conçu par Dussault au laboratoire Heki. Les modifications sont majoritairement liées au domaine tournant nécessaire pour simuler la rotation de la roue du cas test. Les conditions de simulation sont choisies afin d'obtenir une résonance du mode à deux diamètres nodaux de la roue. Ici, l'apparition d'éléments à volume négatif dans le maillage empêche la simulation d'atteindre plus de 1.3 tour de roue simulé. À ce point, les fluctuations de pression liées à l'interaction rotor-stator sont clairement observables et une déformation liée au mode 2ND est obtenue. Toutefois, la déformation de la roue est dominée par la torsion. Il est difficile d'expliquer l'apparition de la torsion, la meilleure hypothèse portant sur les conditions initiales de la simulation. Également, certaines variations de pression incohérentes sont détectées, possiblement liées à des instabilités du solveur fluide.
This master project is part of Tr-Francis project at Heki Laboratory of Université Laval. This thesis presents the exploration of two-way fluid-structure simulation strategies with Star-CCM+ to study the resonances of hydraulic turbines. Concretely, the objective is to establish if the approach of Star- CCM+ can reproduce a resonance induced by rotor-stator interaction in the case of a simplified turbine model. To do so, a simpler case is studied, a hydrofoil. This geometry is similar to a runner blade of a hydraulic turbine without the complexity of the rotating domain. A two-way simulation is performed on the hydrofoil F99 in lock-in conditions. This first simulation is used to explore the general parameters of the software. This simulation fails to reproduce experimental data from the Norwegian University of Science and Technology, mainly regarding the vortex shedding frequency. The lock-in is not achieved and so is the resonance. To verify if the strategy can reproduce the resonance physics, the young modulus of the material is modified to match the natural frequency to the vortex shedding frequency simulated. The lock-in is now reproduced with consistent structural deformation and flow. Afterward, the strategy is adapted for the RSI test case developed by Dussault at Heki laboratory. Main modifications are related to the rotating domain used to simulate the runner rotation. Operating conditions are selected to obtain resonance of the two nodal diameters mode of the runner. The simulation fails to run more than 1.3 runner turns before the appearance of negative volume cells in the runner mesh. In the simulation, the RSI pressure fluctuations are identified, and a two nodal diameter mode is observed. However, the main runner deformation is in torsion. The main hypothesis to explain this behavior is related to the fluid initial conditions. Also, inconsistent pressure fluctuations are detected in the runner, possibly related to some solver instabilities.
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