ServicenavigationHauptnavigationTrailKarteikarten


Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/502198
Projekttitel
P-GPHER – Simulation haute performance de l’écoulement dans une turbine Pelton multi-jets
Projekttitel Englisch
P-GPHER – High-performance numerical simulation of a full multi-jet Pelton turbine flow

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Kurzbeschreibung
-
Anzeigen
-
Anzeigen
Schlussbericht
Anzeigen
Anzeigen
-
Anzeigen

Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Englisch)

Numerical simulations of multi-jets Pelton turbines using high-performance computing is an efficient way to investigate unsteady phenomena that may affect the machine performance and lifetime. However, it is a challenging task that involves handling the unsteady free surface flow and moving boundaries requiring a dynamic mesh approach, as well as run-time local grid refinements at the interphase. Unlike the mesh-based methods, the Lagrangian particle-based methods are robust in free-surface problems with moving boundaries such as Pelton turbine flow. Within the present project, GPU-SPHEROS, an in-house GPU-accelerated particle-based solver, is used to simulate full realistic multi-jet Pelton turbine flow on Piz Daint, one of the most powerful GPU-powered supercomputers in the world operated by the Swiss National Supercomputing Centre (CSCS). Two geometries of six-jet Pelton turbines will be considered to investigate the development of jet interference and disturbance and to demonstrate the capacity of the solver to predict these complex phenomena as well bucket deterioration due to its aging on the Pelton runner performance.

Kurzbeschreibung
(Französisch)

Les simulations numériques de l’écoulement dans les turbines Pelton multi-jets utilisant le calcul haute performance sont un moyen efficace d'étudier les phénomènes instationnaires qui peuvent affecter les performances et la durée de vie de la machine. Cependant, cette tâche difficile implique la prédiction d’un écoulement instationnaire diphasique dans un domaine avec des frontières mobiles nécessitant une approche de maillage dynamique, ainsi qu’une discrétisation spatiale fine en temps réel au niveau des interfaces. Contrairement à une approche basée sur un maillage, une formulation lagrangienne est plus robuste pour prédire ces problèmes physiques propres aux turbines Pelton. Dans le cadre de ce projet, un solveur particulaire accéléré par GPU, GPU-SPHEROS, est utilisé pour simuler l’écoulement se développant dans ce type de machine sur le supercalculateur Piz Daint du CSCS. Deux géométries de turbines Pelton à six jets seront envisagées pour étudier les interférences de jets et pour démontrer la capacité du solveur à détecter l’influence de ces phénomènes complexes ainsi que la détérioration géométrique des augets, due à leur vieillissement, sur les performances de la machine.

Schlussbericht
(Deutsch)

Die Software GPU-SPHEROS wurde anhand zweier Fallstudien der Peltonturbinen von KWGO sowie der Stiftung Mhylab getestet. Die von der Software verwendete Lagrangesche Betrachtungsweise erwies sich als eingeschränkt bezüglich der Zuverlässigkeit der Resultate, da die Abweichung des Wirkungsgrades zum Teil mehr als 20 % beträgt und punktuell auf den Pelton-Schaufeln generierte Drehmomentspitzen zu nicht-physikalischen Drehmomentschwingungen auf dem Turbinenrad führen. Simulationen einer erodierten Schneide des Pelton-Bechers zeigten im Gegensatz zur Literatur einen Anstieg des Wirkungsgrades. Dieselben Simulationen wurden mit einer nicht-viskosen Konfiguration der Software Ansys CFX realisiert, welche die Eulersche Betrachtungsweise zur Strömungsmodellierung verwendet. Diese Resultate konnten in einer angemessenen Zeit berechnet und mit der Literatur verglichen werden. Der Falaise-Effekt konnte numerisch erfasst werden, erwies sich jedoch als zeitlich verzögert zu den experimentellen Daten, was schließlich einer niedrigeren Fallhöhe entspricht. Der Wirkungsgradverlust aufgrund der erodierten Pelton-Becher konnte hingegen übereinstimmend mit der Literatur bestätigt werden. Trotz der getroffenen Annahmen in der nicht-viskosen Simulation, vor allem bezüglich des Rechengebietes und der Anzahl Umdrehungen, können die verschiedenen Tendenzen der parametrischen Studien mit einem guten Konfidenzniveau bewertet werden.

Schlussbericht
(Englisch)

The GPU-SPHEROS software was tested in the case study of the Pelton turbines of KWGO and the Mhylab foundation. This Lagrangian approach has shown its limitations in terms of reliability of the results, since the efficiency is sometimes predicted with a gap larger than 20% and torque peaks on the buckets are predicted inducing non-physical oscillations of the impeller torque. The simulations of an eroded bucket show an increase in the efficiency, which is not observed in the literature. The same studies were therefore carried out with the ANSYS CFX software, based on a Eulerian modelling of the fluid flow, by setting up a non-viscous simulation. The results obtained in a reasonable calculation time were compared with the available literature. The “Falaise” effect has been captured, but appears later than the experimental measurements, thus at a lower head. While the decrease in efficiency due to bucket erosion was shown to be consistent with the literature. Although the non-viscous simulation involves assumptions, especially in terms of the computational domain and the number of wheel revolutions, the different trends resulting from the parametric studies are considered with a good level of confidence.

Schlussbericht
(Französisch)

Le logiciel GPU-SPHEROS a été testé en considérant les cas d’études des turbines Pelton de KWGO et de la fondation Mhylab. L’approche lagrangienne utilisée par ce logiciel a montré ses limites du point de vue de la fiabilité des résultats, du fait que les rendements des turbines sont parfois prédits avec un écart supérieur à 20% et que des pics ponctuels de couple sur les augets sont générés induisant des oscillations non-physiques du couple sur la roue. Les simulations de l’influence de l’érosion de l’arête d’un auget sur le rendement ont mis en évidence une augmentation de celui-ci en désaccord avec la littérature. Les mêmes études ont été réalisées avec le logiciel ANSYS CFX, qui utilise une modélisation eulérienne de l’écoulement, en configurant une simulation non-visqueuse. Les résultats obtenus en un temps de calcul raisonnable ont été comparés à la littérature. L’effet falaise a été capté, mais apparaît plus tardivement que les mesures expérimentales, donc à plus basse chute. Tandis que la diminution du rendement due à l’érosion des augets a été mis en évidence conformément à la littérature. Bien que la simulation non-visqueuse comporte des hypothèses, notamment en termes de domaine de calcul et de nombre de tours de roue, les différentes tendances découlant des études paramétriques sont considérées avec un bon indice de confiance.

Zugehörige Dokumente