ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ ΤΥΠΟΥ PELTON

Abstract

Η παρούσα πτυχιακή εργασία αναφέρεται στον σχεδιασμό των βασικών εξαρτημάτων του υδροστροβίλου τύπου Pelton με την βοήθεια του προγράμματος ηλεκτρονικής σχεδίασης Solidworks 2014 Premium καθώς και στην προσομοίωση της συμπεριφοράς του, όσον αφορά τα ρευστοδυναμικά φαινόμενα που παρατηρούνται κατά την αλληλεπίδραση της ελεύθερης δέσμης του ρευστού με το στροφείο. Η προσομοίωση έγινε εφικτή με το υπολογιστικό πακέτο Ansys Fluent 2020 R2 Student Edition της εταιρείας ANSYS. Η ανάπτυξη του θέματος γίνεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο έχουμε μια συνοπτική ιστορική αναδρομή της υδροισχύος σε διεθνές επίπεδο καθώς και του υδροστροβίλου τύπου Pelton. Στο δεύτερο κεφάλαιο κρίθηκε αναγκαία η προσθήκη βασικών εννοιών της Μηχανικής των ρευστών ώστε να επιτευχθεί βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς που εμφανίζει το ρευστό κατά την κίνηση του όπως και των φυσικών ιδιοτήτων αυτού. Πολύτιμα εργαλεία στα χέρια των επιστημόνων είναι και οι νόμοι διατήρησης της μάζας, της ορμής και της ενέργειας οι οποίοι περιγράφονται επίσης και στην παρούσα πτυχιακή εργασία, μαζί με τις αποδείξεις τους. Στο τρίτο κεφάλαιο έγινε μια προσπάθεια αποσαφήνισης εννοιών που σχετίζονται με τον τομέα των υδροστροβίλων γενικότερα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην μελέτη του υδροστροβίλου τύπου Pelton. Ακολούθησε η παρουσίαση των βασικών εξαρτημάτων που απαρτίζουν τον υδροστρόβιλο με μια σύντομη αλλά περιεκτική περιγραφή του ρόλου που επιτελούν. Επιπρόσθετα, θεωρήθηκε μια υποθετική περίπτωση ύψους πτώσης και αναμενόμενης ωφέλιμης ισχύος εξόδου και πραγματοποιήθηκαν οι βασικοί αναλυτικοί υπολογισμοί με σκοπό την διαστασιολόγηση του υδροστροβίλου. Στο τέταρτο κεφάλαιο δόθηκε ο ορισμός της ηλεκτρονικής σχεδίασης με την αποσαφήνιση του όρου CAD (Computer Aided Design). Ένας από τους κύριους πυλώνες της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι ο σχεδιασμός των εξαρτημάτων που αποτελούν τον υδροστρόβιλο, με τις διαστάσεις του να υπολογίζονται στο δεύτερο κεφάλαιο. Αρχικά, έγινε μια λεπτομερής περιγραφή της πορείας που ακολουθήθηκε για την σχεδίαση της ακίδας, του περιβλήματος του ακροφυσίου και την τελική συναρμολόγηση τους. Ομοίως καταγράφηκε και η πορεία σχεδίασης για τα σκαφίδια, την πλήμνη, τα δύο είδη κοχλιών με τα αντίστοιχα περικόχλια τους και την ένταξη τους σε μια κοινή οριστική συναρμολόγηση, αυτή του υδροστροβίλου. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στο Επιστημονικό πεδίο της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και στους τομείς όπου εφαρμόζεται. Μελετάται εκτεταμένα το πώς δουλεύει ο υπολογιστικός κώδικας με την ανάλυση των επιμέρους στοιχείων του. Περιγράφεται η διαδικασία της προσομοίωσης της ροής εντός του ακροφυσίου του υδροστροβίλου, η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή της γεωμετρίας του προβλήματος, την διακριτοποίηση της υπολογιστικής περιοχής, την δημιουργία των συνοριακών συνθηκών, και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τα ροϊκά φαινόμενα που εμφανίζονται. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο υλοποιήθηκε η προσομοίωση της ροής για το σύστημα ακροφυσίου-στροφείου, με τα στάδια της όπως είναι η κατασκευή της γεωμετρίας, η κατασκευή του υπολογιστικού πλέγματος, ο καθορισμός του προβλήματος, η επίλυση και η εξαγωγή αποτελεσμάτων, να παρουσιάζονται και να καταγράφονται λεπτομερώς. Η προσομοίωση της ροής στον υδροστρόβιλο αρχικά πραγματώθηκε για μη μόνιμη ροή vi και στην συνέχεια διεξήχθησαν τρείς προσομοιώσεις στην μόνιμη κατάσταση με χρήση τριών διαφορετικών μοντέλων τύρβης.