Numerical and computational analysis of hydrodynamic effects in the micro-hydro power station

Abstract

A more efficient use of hydraulic energy, in terms of environmental and social impacts, is the conversion of kinetic energy of running river water without dams’ construction. A new design and functional concept of a hydraulic flow turbine with vertical axis and individualized orientation of the hydrodynamic blades were proposed and elaborated Using a high order panel method the potential flow analysis is performed in order to compute the hydrodynamic lift and moment coefficients. The drag coefficient is computed through a boundary layer analysis. Laminar boundary layer analysis utilizes Falkner-Skan semi-empirical relations. Transition from laminar boundary layer to turbulent boundary layer is predicted through Michael’s criterion. The turbulent boundary layer parameters are computed using the Head’s model and the drag coefficient is provided by Squire-Young formula.

Utilizarea eficientă a energiei apelor curgătoare cu un impact de mediu şi social redus constă în conversia energiei cinetice a râului fără construcţii de baraje. Au fost propuse şi elaborate un nou design si concept funcţional al unei turbine hidraulice de flux cu ax vertical şi orientarea individualizată a palelor hidrodinamice. Utilizând metoda elementelor de frontieră este efectuată analiza fluxului potenţial cu scopul de a calcula numeric coeficienţii hidrodinamici de portanţă şi tangaj. Coeficientul hidrodinamic de rezistenţă este calculat printr-o analiză a stratului limită. Analiza stratului limită laminar utilizeaza relaţiile semi-empirice Falkner-Skan. Tranziţia de la stratul limită laminar la stratul limită turbulent este prezisă prin criteriul Michael. Parametrii stratului limită turbulent sunt calculaţi folosind modelul Head, iar coeficientul de rezistenţă prin formula Squire-Young.

Une utilisation plus efficace de l'énergie hydraulique, en termes d'impacts environnementaux et sociaux, est la conversion de l'énergie cinétique de l'eau courante rivière sans la construction de barrages. Un nouveau design et un concept fonctionnel d'une turbine à débit hydraulique à axe vertical et l'orientation individualisée des lames hydrodynamiques ont été proposés et élaborés. En utilisant une méthode d'ordre élevé panneau de l'analyse des flux potentiel est effectuée afin de calculer la portance hydrodynamique et coefficients des moments. Le coefficient de traînée est calculé grâce à une analyse de la couche limite. Analyse de la couche limite laminaire utilise Falkner-Skan relations semi-empiriques. Transition de la couche limite laminaire à la couche limite turbulente est prédite par critère de Michael. Les paramètres de la couche limite turbulente sont calculés en utilisant le modèle de la tête et le coefficient de traînée est fourni par Squire-Young formule.

Для более эффективного использования гидравлической энергии, с точки зрения экологических и социальных последствий, является преобразование кинетической энергии водного потока рек без строительства плотин. Были предложены и разработаны новая концептуальная схема и дизайн гидравлической турбины с вертикальной осью и индивидуальной ориентацией гидродинамических лопастей. Анализ потенциально- го потока с использованием метода граничных элементов высокого порядка производится для вычисления гидродинамических коэффициентов подъема и момента. Коэффициент сопротивления вычисляется посредством анализа граничного слоя. Анализ ламинарного граничного слоя использует эмпирические отношения Фолкнер-Скана. Переход ламинарного граничного слоя в турбулентный граничный слой прогнозируется через критерий Майкла. Параметры турбулентного граничного слоя вычисляются с использованием модели Хэда, а гидродинамический коэффициент сопротивления рассчитывается формулой Сквэйер-Янга.