Numerical investigation of the effect of scaling on the performance of large scale axial flow fans.

dc.contributor.advisorVan der Spuy, S. J.en_ZA
dc.contributor.advisorMeyer, Chris J.en_ZA
dc.contributor.authorMeissner, Timo W.en_ZA
dc.contributor.otherStellenbosch University. Faculty of Engineering. Dept. of Mechanical and Mechatronic Engineering.en_ZA
dc.descriptionThesis (MEng)--Stellenbosch University, 2018.en_ZA
dc.description.abstractENGLISH 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.en_ZA
dc.description.abstractAFRIKAANSE 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.af_ZA
dc.format.extent112 pages : illustrationsen_ZA
dc.publisherStellenbosch : Stellenbosch Universityen_ZA
dc.subjectAxial flow -- Fans (Machinery)en_ZA
dc.subjectCFD (Computational fluid dynamics)en_ZA
dc.subjectNumerical analysisen_ZA
dc.subjectFans (Machinery) -- Performanceen_ZA
dc.titleNumerical investigation of the effect of scaling on the performance of large scale axial flow fans.en_ZA
dc.rights.holderStellenbosch Universityen_ZA

Files in this item


This item appears in the following Collection(s)