Hydrodynamic Screws

 

This material was contributed by Dr. Matthias Haselbauer of RMD Consult GmbH / Institute of Hydromechanics at the Technische Universität Munich

 

소규모 수력발전소의 사용은 에너지 비용증가를 억제하기 위한 방법으로 점점 더 흥미로워 지고 있습니다. 기존의 대형 수력발전소는 규제검토를 위해 막대한 자본투자와 긴 리드타임을 필요합니다. 더 작은 발전소는 새로운 유형의 터빈을 사용할 수 있습니다. 이러한 새로운 형태의 한 예는 아르키메데스의 나사 전달원리에 따른 유체역학 스크류를 나타냅니다.

출구 우측에서 고속 스플래시를 확인할 수 있습니다. 이는 과도한 소음의 원인이 됩니다. 유체역학적 스크류의 사용과 관련된 한가지 문제는 이송 나사에 비해 회전 방향의 변화로 인한 상당한 동반 소음 방출입니다. 환경 소음 규제 때문에 소음방출은 흔히 도시 지역의 발전소 건설에 결정적인 요소입니다.

 

Physical Modeling

유체역학적 스크류의 사용에 따른 소음의 발생과 원인을 조사하기 위해 München Technische Universität의 유체역학 연구소에서 실험테스트가 수행되었습니다. 규모가 큰 실험실에서, 물의 상류와 하류 사이의 물리적 흐름에 대한 상관관계, 방출, 회전속도, 소음수준 및 전기전위를 실험했습니다. 그 결과 다양한 소음원이 감지되었습니다. 또한 전달 나사와 유사한 표준 유체역학 나사 이외에도 4개의 추가 나사와 hutch types이 테스트되었습니다. 최고의 기하학적 변경은 장치의 효율에 어떠한 영향을 미치지 않으면서 10dB이상의 소음 감소를 제공했습니다.

 

CFD Simulation

실험실 테스트 외에도 FLOW-3D로 매우 복잡한 시뮬레이션을 여러 번 수행하였습니다. 회전하는 기하학적 구조의 3차원 모델링은 FLOW-3D와 사용되는 하드웨어에 큰 수요를 가져다 주었습니다. GMO(General Moving Object) 모델을 사용하면 사용자는 메쉬를 조정하지 않고도 터빈 또는 나사 같은 복잡한 이동 또는 회전 형상을 계산할 수 있으며, 따라서 메모리 할당에 변화가 없습니다. 말단 GMO모델은 유체의 고체 상호 작용을 계산하는 데 필요했으며, FLOW-3D의 TruVOF 알고리즘은 수면의 고도를 계산하는 데 필수적이었습니다.

Using a valve at the end of the screw (right) resulted in a more uniform velocity field at the outlet.

 

An additional bypass of some discharge through an opening at the hutch bottom reduces the noise emission significantly.

 

Integrating the pressure information (left) provided information about the efficiency effects resulting with the different geometric configurations.

 

Validating the CFD Results

시뮬레이션에서 4 개의 나사 및 hutch types에 대한 흐름을 계산하고 비교하였습니다. 이 결과로, 실험실에서 측정한 결과를 인증할 수 있었습니다. 또한, 속도 및 압력 필드에 대한 추가적인 데이터 처리를 통해 형상최적화를 할 수 있습니다. 앞서 언급한 하이브리드 모델은 CFD시뮬레이션과 실험실 테스트의 조합을 바탕으로 유체역학적 스크류의 소음배출은 10dB이상 감소했습니다. 이러한 소음 감소는 소규모 수력 발전소, 특히 도시지역에서 새롭게 활용할 수 있습니다.

 

Acknowledments

Visualization and post-processing of the simulation data was done by Franziska E. Hammerl of Ingenieurbüro EDR GmbH, who used FieldView by Intelligent Light.