Banco de pruebas virtual basado en HPC para pruebas de modelo de la turbina Francis 99

Abstract

Currently, during the research and development stages of new hydraulic turbines, design optimization processes are carried out by numerical simulation and performance verification of the turbines by physical tests. Since model tests form a large part of the total cost of the hydroelectric project, a significant reduction could be achieved if performance verifications were replaced by numerical simulation using high-performance calculation. This research covers the development and implementation of a virtual test bench for Francis-type hydraulic turbines. To achieve the development of the virtual test bench, the free and open-source code OpenFOAM was used, as well as a couple of modifications of it capable of coupling graphic cards in order to speed up the calculation. In an initial stage, the diffuser tube of the T99 turbine case study was analyzed in order to establish the best configuration to make the best use of the computational resources. A series of tests were carried out to determine the influence that the computational architecture of the graphic cards, the algebraic solver type and the available memory have on the calculation time and accuracy of the results. Finally, additional steady-state and transient analyses were performed using the Francis 99 turbine case study as a reference in order to corroborate the behavior of the test bench in a wide range of operating conditions.

En la actualidad, durante las etapas de investigación y desarrollo de nuevas turbinas hidráulicas se realizan procesos de optimización del diseño por simulación numérica y verificación del rendimiento de las turbinas mediante pruebas físicas. Dado que las pruebas de modelo forman una gran parte del costo total del proyecto hidroeléctrico, se podría lograr una reducción significativa si las verificaciones de desempeño se sustituyeran por simulación numérica empleando cálculo de alto desempeño. Esta investigación abarca el desarrollo e implementación de un banco de pruebas virtual para turbinas hidráulicas tipo Francis. Para lograr el desarrollo del banco de pruebas virtual se hizo uso del código libre de código abierto OpenFOAM y un par de modificaciones del mismo capaces de acoplar tarjetas gráficas con el fin de acelerar el cálculo. En una etapa inicial se analizó el tubo difusor del caso de estudio de la turbina T99 con el fin de establecer la mejor configuración para aprovechar de mejor manera los recursos computacionales, se llevaron a cabo una serie de pruebas para determinar la influencia que tiene la arquitectura computacional de las tarjetas gráficas, el tipo solucionador algebraico y la memoria disponible en el tiempo de cálculo y exactitud de los resultados. Finalmente se realizaron análisis adicionales en estado estacionario y transitorio tomando como referencia el caso de estudio de la turbina Francis 99 con el fin de corroborar el comportamiento del banco de pruebas en un amplio rango de condiciones de operación.