توربین آبی در بهینه سازی خطوط آب، اعتبار سنجی عددی مقاله

توضیحات

شرح پروژه توربین آبی در بهینه سازی خطوط آب

این مقاله با استفاده از یک توربین کروی بر اساس درون لوله مبتنی بر لیفت، با عنوان « “Numerical analysis of lift-based in-pipe turbine for predicting hydropower harnessing potential in selected water distribution networks for waterlines optimization” » به شبیه‌سازی امکان بهره‌برداری از یک نیروگاه داخل یک لوله پروفیل های هیدروفویل توربین که با استفاده از ایرفویل های NACA ساخته می شوند، پرداخته است. برای این منظور، مدل شبیه سازی شده (CAD) توربین بالابر کروی بر اساس دبی حجمی پیک و پایین در نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی و تحلیل شده است. سری زمانی خروجی های توان از سری زمانی تغییرات دشارژ محاسبه می شود. اهمیت صرفه جویی در مصرف آب و انرژی یکی از دغدغه های اصلی جهان در سال های اخیر بوده است و انتظار می رود به زودی اهمیت بیشتری پیدا کند. در این راستا راه های فنی زیادی برای جایگزینی شیرهای فشار شکن با ژنراتورهای برق برای تولید برق و تنظیم ایمن فشار شبکه های توزیع آب پیشنهاد شده است. بهره وری انرژی سیستم های تامین آب با استفاده از راندمان انرژی هیدرولیک آب افزایش می یابد که می تواند مستقیماً به برق تبدیل شود. چنین فرآیندی از یک منبع انرژی پاک استفاده می کند که اغلب در منابع آب نادیده گرفته می شود و وابستگی انرژی به شبکه برق و هزینه های عملیاتی سیستم را کاهش می دهد.

در این پروژه نتایج شبیه سازی، با نتایج مقاله مقایسه و اعتبار سنجی شده است. دبی جرمی برابر با 111 m^3/s و سرعت چرخش 153626 دور در دقیقه است. نمودار فشار در خط مرکزی خط لوله با نمودار موجود در مقاله  مقایسه شده است.

ابتدا هندسه محفظه آزمایش در نرم افزار SolidWorks طراحی شده و سپس آن را در نرم افزار ANSYS Design Modeler وارد کرده ایم تا برای ایجاد شبکه آماده  شود.مش بندی این مدل با نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است.

روش های استفاده شده

شرایط مرزی به شرح زیر است: ورودی لوله به عنوان ورودی Velocity که بر اساس دبی (112 متر مکعب در ساعت) و خروجی به عنوان خروجی فشار تعریف شده است و شرایط مرزی برای توربین، شرط مرزی دیواره می باشد. 

از متد Mesh Motion برای شبیه سازی حرکت چرخشی توربین استفاده شده است.   در این راه حل از مدل تلاطم استاندارد k-e (تابع دیوار استاندارد) و همچنین از الگوریتم Simple برای کوپلینگ سرعت و فشار استفاده شده است. روش مرتبه اول برای گسسته سازی تمام پارامترها استفاده می شود.

نتایج شبیه سازی پروژه توربین آبی در بهینه سازی خطوط آب

پیش از آن که به نتایج نهایی پرداخته شود، لازم است نتایج ناشی از مطالعه شبکه به منظور سنجش استقلال از شبکه درج شود.

برای بررسی استقلال مش، لازم است سلول های محاسباتی را به قدری ریز کنیم تا زمانی که نتایج از یه اندازه ای به بعد تحت تاثیر سایز و تعداد سلول های محاسباتی قرار نگیرند.  برای این منظور ابتدا از  250000 شروع  کردیم و با دو برابر کردن تعداد المان ها سرعت خروجی لوله را به عنوان عاملی برای استقلال مش بررسی کردیم. برای لوله ای با طول 10 متر و قطر 0.3 متر و سرعت ورودی 200 متر بر ثانیه و زبری 0.03 میلی متر استقلال مش را بررسی کردیم. نتایج به دست آمده در جدول زیر نشان داده شده است.

همانطور که در شکل و جدول بالا مشاهده می شود، تفاوت بین نتایج حل کمتر از 1% با 2 میلیون و 1 میلیون سلول است. بنابراین 1 میلیون شبکه،  شبکه نهایی برای این شبیه سازی می باشد.

در مرحله بعدی نتایج را برای شبیه سازی درج کرده ایم.

نتایج این مطالعه نشان داد که میزان دبی سیال، هد موثر، قطر لوله، مشخصات هیدروفویل و اجزای توربین، پتانسیل استفاده از انرژی آبی را در هر سیستم توزیع آب تعیین می‌کند. مقادیر فشار مطلق به دست آمده در مقاله و نتایج شبیه سازی در شکل زیر نشان داده شده است که به خوبی مطابقت دارند.