Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de machines hydrauliques LMH)

Numerical simulation and flow analysis of an elbow diffuser

Mauri, Sebastiano ; Avellan, François (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2527.

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    Summary
    Numerical simulation of the unsteady turbulent flow in a three-dimensional elbow diffuser is performed. The investigation is carried out with a commercial finite volume solver implementing the Reynolds averaged Navier-Stokes equations. Against the background of current research in DNS and LES, the modeling of most practically relevant turbulent flows continues to be based on this system of equations. For this reason it is important to evaluate the limitations of the Reynolds averaging approach with the associated turbulence modeling, in particular for the prediction of time-dependent flows. Verification and validation are presented; detailed measurements are compared with computations. While a great deal of research has focused on draft tube design, relatively little is known about the complex flow features present. The flow is analyzed over a wide range of operating conditions including part load. Topological changes in the flow patterns with the global characteristics of the diffuser are presented. Visualization provides extra insight into the complex flow. Forced and self-sustained time-dependent flow phenomena are captured. Falling into these categories are flow field fluctuations introduced by the runner, self-sustained vortex shedding phenomena, and the typical rotating helical vortex observed at part load. Additionally, the linear stability of measured inlet profiles is investigated, providing a fuller understanding of the basic instability mechanism.
    Résumé
    Une simulation numérique de l'écoulement turbulent instationnaire dans un diffuseur coudé tridimensionnel est effectuée. L'étude est menée avec un code commercial résolvant les équations de Navier Stokes moyennées en formulation volume fini. Beaucoup des recherches actuelles sont axées sur la DNS et la LES, néanmoins la modélisation de la plupart des écoulements turbulents rencontrés en pratique continue a être basée sur ce système d'équations. Pour cette raison, il est important d'évaluer les limitations de cette approche, en particulier pour la prédiction des écoulements instationnaires. Des vérification et validation sont présentées; des mesures détaillées sont comparées aux calculs. Alors qu'une grande partie de la recherche était concentrée sur le design du diffuseur, peu de connaissance sur les caractéristiques complexes de l'écoulement qui y est présent a été acquis. L'écoulement est analysé sur une large bande de points de fonctionnement incluant des points à charges partielles. Les changements de la topologie de l'écoulement et des caractéristiques globales du diffuseur sont présentés. La visualisation permet une vision supplémentaire de l'écoulement complexe. Des phénomènes instationnaires sont capturés. Parmi ces catégories, on peut citer les fluctuations introduites par la roue, le phénomène de détachement tourbillonnaire auto-entretenu et le tourbillon hélicoidal observé à charge partielle. De plus, la stabilité linéaire du profil de vitesse mesuré en sortie de roue a été étudiée, permettant une compréhension du mécanisme de base de l'instabilité.