Numerical investigation of the effect of scaling on the performance of large scale axial flow fans.
Date
2018-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Large-scale axial flow fans are utilised in air-cooled heat exchanger systems
in power plants. Due to the size of these fans, their performance cannot be
experimentally tested. A common practice is to test a smaller, scaled-down
version of the fan in a fan test facility and use the results to determine the
performance of the large scale fan. Improving the accuracy of the scaled fan
performance allows for a more accurate assessment of the fan performance and
subsequently of the efficiency of the power plant.
The parameters influencing fan performance and their variation in magnitude
with scaling are investigated. The performance of the Pelz scaling
method for up- and down-scale scenarios compared to experimental data is assessed.
The results show that the scaling method over-predicts the change in
efficiency. The accuracy of a CFD analysis compared to experimental results
of the B2a-fan at different sizes is investigated, showing an over-prediction of
the numerical results at low flow rates and a under-prediction at high flow
rates. The numerical results of a 0.63 m, 1.542 m and 9 m diameter B2a-fan
show an increase in fan static efficiency and -pressure with fan size. Due to
the similarity set between the fans, the Reynolds number range over the blade
span increases with an increase in fan size. An increase in fan size and thus
Reynolds number over the fan blade results in a logarithmic increase in fan
static efficiency. As a result the increase in efficiency between the 0.63 m and
1.542 m diameter B2a-fan is about the same as the increase in efficiency between
the 1.542 m and 9 m diameter fan, even though the increase in size of
the later is more than double the size increase from 0.63 m to 1.542 m.
A two dimensional analysis investigating the accuracy of the turbulence
models and the effect of Reynolds number on the lift and drag characteristics
of an airfoil is conducted. The analysis showed an over-prediction in
lift and drag by the Realizable k-" turbulence model. The Spalart Allmaras
turbulence model produces results with a much smaller deviation to the experimental
results. A numerical analysis of the B2a-fan using the Spalart
Allmaras turbulence model does, however, not reduce the deviation between
the numerical- and experimental results. It is observed that the change in liftto-
drag ratio of the two-dimensional airfoil over a change in Reynolds number
produces a similar trend than the results of the peak fan static efficiency over a
change in Reynolds number in the three-dimensional analysis. The fan static
efficiency is a function of the lift-to-drag ratio. A comparison showed that
three-dimensional losses have a greater effect on the total losses at a high
Reynolds number than at a low Reynolds number.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Grootskaal aksiale vloei waaiers word in lugverkoelde hitteruilerstelsels in kragsentrales gebruik. As gevolg van die grootte van hierdie waaiers, kan hulle werkverrigting nie eksperimenteel getoets word nie. ’n Algemene praktyk is om ’n kleiner, afgeskaalde weergawe van die waaier in ’n waaier toetsfasiliteit te toets en die resultate te gebruik om die werkverrigting van die grootskaalse waaier te bepaal. Verbetering van die akkuraatheid van die skaalwaaier werkverrigting kan ’n meer akkurate assessering van die waaier werkverrigting en vervolgens van die doeltreffendheid van die kragstasie teweeg bring. Die parameters wat die werkverrigting van die waaiers beïnvloed en hul variasie in grootte met skalering word ondersoek. Die prestasie van die Pelzskaalmetode vir op- en af-skaal scenario’s in vergelyking met eksperimentele data word beoordeel. Die resultate toon dat die skaalmetode die verandering in statiese doeltreffendheid oorvoorspel. Die akkuraatheid van ’n CFD-analise in vergelyking met die eksperimentele resultate van die B2a-fan in verskillende groottes word ondersoek, wat ’n oorvoorspelling van die numeriese resultate toon by lae vloeitempo’s en ’n ondervoorspelling by hoë vloeitempo’s. Die numeriese resultate van ’n 0.63 m, 1.542 m en 9 m deursnee B2a-fan wys ’n toename in die statiese doeltreffendheid en druk van die waaier met waaiergrootte. Vanweë die gelyksoortgelyk tussen die waaiers styg die Reynoldsgetalreeks oor die lemspan met ’n toename in waaiergrootte. ’n Toename in waaiergrootte en dus Reynolds getal oor die waaierlem lei tot ’n logaritmiese toename in die waaier statiese doeltreffendheid. Gevolglik is die toename in doeltreffendheid tussen die 0.63 m en 1.542 m deursnee B2a-waaier ongeveer dieselfde as die toename in doeltreffendheid tussen die 1.542 m en 9 m deursnee waaier, alhoewel die toename in die grootte van die laasgenoemde meer as dubbel is as dié van 0,63 m na 1,542 m. ’n Tweedimensionele analise wat die akkuraatheid van die turbulensiemodelle en die effek van Reynolds-getal op die hef- en sleurkarakteristieke van ’n vleuelprofiel ondersoek het, is uitgevoer. Die analise het ’n oorvoorspelling in hef en sleur deur die ’Realizable’ k-" turbulensie model gewys. Die Spalart Allmaras-turbulensie model het resultate opgelewer met ’n veel kleiner afwyking van die eksperimentele resultate. ’n Numeriese analise van die B2a-fan met behulp van die Spalart Allmaras turbulensie model het egter nie die afwyking tussen die numeriese en eksperimentele resultate verminder nie. Daar is opgemerk dat die hef-tot-sleur-verhouding met ’n verandering in Reynolds-getal ’n soortgelyke tendens lewer as die resultate van die statiese doeltreffendheid van die waaier se verandering as gevolg van ’n verandering in Reynolds-getal. Die statiese doeltreffendheid van die waaier is ’n funksie van die hef-tot-sleur-verhouding. ’n Vergelyking het getoon dat driedimensionele verliese ’n groter effek het op die totale verliese teen ’n hoë Reynolds-getal as by ’n lae Reynolds-getal.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Grootskaal aksiale vloei waaiers word in lugverkoelde hitteruilerstelsels in kragsentrales gebruik. As gevolg van die grootte van hierdie waaiers, kan hulle werkverrigting nie eksperimenteel getoets word nie. ’n Algemene praktyk is om ’n kleiner, afgeskaalde weergawe van die waaier in ’n waaier toetsfasiliteit te toets en die resultate te gebruik om die werkverrigting van die grootskaalse waaier te bepaal. Verbetering van die akkuraatheid van die skaalwaaier werkverrigting kan ’n meer akkurate assessering van die waaier werkverrigting en vervolgens van die doeltreffendheid van die kragstasie teweeg bring. Die parameters wat die werkverrigting van die waaiers beïnvloed en hul variasie in grootte met skalering word ondersoek. Die prestasie van die Pelzskaalmetode vir op- en af-skaal scenario’s in vergelyking met eksperimentele data word beoordeel. Die resultate toon dat die skaalmetode die verandering in statiese doeltreffendheid oorvoorspel. Die akkuraatheid van ’n CFD-analise in vergelyking met die eksperimentele resultate van die B2a-fan in verskillende groottes word ondersoek, wat ’n oorvoorspelling van die numeriese resultate toon by lae vloeitempo’s en ’n ondervoorspelling by hoë vloeitempo’s. Die numeriese resultate van ’n 0.63 m, 1.542 m en 9 m deursnee B2a-fan wys ’n toename in die statiese doeltreffendheid en druk van die waaier met waaiergrootte. Vanweë die gelyksoortgelyk tussen die waaiers styg die Reynoldsgetalreeks oor die lemspan met ’n toename in waaiergrootte. ’n Toename in waaiergrootte en dus Reynolds getal oor die waaierlem lei tot ’n logaritmiese toename in die waaier statiese doeltreffendheid. Gevolglik is die toename in doeltreffendheid tussen die 0.63 m en 1.542 m deursnee B2a-waaier ongeveer dieselfde as die toename in doeltreffendheid tussen die 1.542 m en 9 m deursnee waaier, alhoewel die toename in die grootte van die laasgenoemde meer as dubbel is as dié van 0,63 m na 1,542 m. ’n Tweedimensionele analise wat die akkuraatheid van die turbulensiemodelle en die effek van Reynolds-getal op die hef- en sleurkarakteristieke van ’n vleuelprofiel ondersoek het, is uitgevoer. Die analise het ’n oorvoorspelling in hef en sleur deur die ’Realizable’ k-" turbulensie model gewys. Die Spalart Allmaras-turbulensie model het resultate opgelewer met ’n veel kleiner afwyking van die eksperimentele resultate. ’n Numeriese analise van die B2a-fan met behulp van die Spalart Allmaras turbulensie model het egter nie die afwyking tussen die numeriese en eksperimentele resultate verminder nie. Daar is opgemerk dat die hef-tot-sleur-verhouding met ’n verandering in Reynolds-getal ’n soortgelyke tendens lewer as die resultate van die statiese doeltreffendheid van die waaier se verandering as gevolg van ’n verandering in Reynolds-getal. Die statiese doeltreffendheid van die waaier is ’n funksie van die hef-tot-sleur-verhouding. ’n Vergelyking het getoon dat driedimensionele verliese ’n groter effek het op die totale verliese teen ’n hoë Reynolds-getal as by ’n lae Reynolds-getal.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2018.
Keywords
Axial flow -- Fans (Machinery), CFD (Computational fluid dynamics), Numerical analysis, Fans (Machinery) -- Performance