[논문 리뷰] Numerical investigation of unsteady flow in a reversible pump-turbine

Chirag Trivedi|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 23.

Cavitation Phenomena in Pumps인용 수 0

한 줄 요약

이 연구는 모델 펌프-터빈의 고충실도 CFD 모델을 구축하여 터빈 모드와 펌프 모드에서의 비정상 흐름을 탐구하고, 복합 주파수 내용과 Dean 와류 효과를 밝힙니다. 이는 검증 오차 및 잠재적 공진 위험을 포함합니다.

ABSTRACT

Hydropower is an important source of renewable energy that provides clean energy. Pump-turbine type hydraulic turbine is widely used to mitigate the intermittent energy demand and store a large-scale energy. Pump-turbine operates in reverse mode in pump mode to store energy. Flow conditions in turbine mode and pump mode operations is substantially different. This study investigates the unsteady flow field in the model pump-turbine. A computational model of the pump-turbine was created, and the model included hexahedral mesh of 58.19 million nodes. Total verification and validation error was 7.7%. Three operating conditions in turbine mode and four in pump mode were simulated. Flow characteristics, such as blade loading, time-dependent pressure fluctuations, frequency spectra, radial and tangential velocity were investigated. The frequency spectra revealed amplitude of frequencies up to tenth harmonics of the blade passing frequency in pump mode. The higher harmonic frequencies can potentially reach the high mode eigen frequencies and increase the risk of resonance. Flow field analysis in the draft tube indicted the strong presence of Dean vortices causing highly asymmetric flow at the runner inlet in pump mode operation. This study provides essential insights into the complex flow phenomena and advances the understanding of unsteady flow behaviour in pump-turbines.

연구 동기 및 목표

• 에너지 저장 및 부하 균형에 사용되는 펌프-터빈 장치의 비정상 흐름을 이해해야 한다는 필요성을 다루어 연구의 동기를 부여한다.
• 비정상 흐름 현상을 포착하기 위해 상세한 메쉬를 갖춘 가역 펌프-터빈의 계산 모델을 개발한다.
• 터빈 및 펌프 작동 모드에서 블레이드 로딩, 압력 변동, 속도장 같은 흐름 특징을 특성화한다.

제안 방법

• 58.19 백만 노드로 구성된 육각형 메쉬를 갖춘 펌프-터빈의 CFD 모델을 만든다.
• 비정상 흐름을 연구하기 위해 터빈 모드에서 3개, 펌프 모드에서 4개 운전 조건을 시뮬레이션한다.
• 시간 의존 압력, 블레이드 로딩, 속도장 및 주파수 스펙트럼을 분석하여 고차수의 블레이드 패싱 주파수까지의 고조 성분을 식별한다.
• 검증 및 확인으로 모델 정확도를 평가하여 총 오차 7.7%를 보고한다.
• 인입 흐름의 대칭성에 영향을 주는 드래프트 튜브의 Dean 와류와 같은 흐름 현상을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가역 펌프-터빈의 터빈 모드 및 펌프 모드에서 어떤 비정상 흐름 특성이 나타나는가?
• RQ2 선정된 운전 조건에서 압력 변동과 속도장은 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 흐름 변화의 스펙트럼 내용은 무엇이며 고차의 고조가 공진 모드에 근접할 수 있는가?
• RQ4 Dean 와류와 같은 어떤 흐름 구조가 러너 입구의 흐름 대칭성에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스펙트럼의 주파수는 펌프 모드에서 blade-passing frequency의 열 번째 고조까지의 진폭을 포함한다.
• 고차 고조파는 높은 모드의 고유 진동수에 도달할 수 있어 잠재적 공진 위험을 시사한다.
• Dean 와류가 드래프트 튜브에 강하게 존재하여 펌프 모드 운전 중 러너 입구에서 매우 비대칭한 흐름을 유발한다.
• 계산 모델은 총 검증/확인 오차 7.7%를 달성한다.
• 블레이드 로딩, 시간 의존 압력 변동, 반경 방향/접선 방향 속도와 같은 흐름 특성을 여러 운전 조건에서 분석하였다.