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Experimental and numerical study of Dethridge wheel for pico-scale hydropower generation

Paudel, Shakun :
Experimental and numerical study of Dethridge wheel for pico-scale hydropower generation.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimental and numerical study of Dethridge wheel for pico-scale hydropower generation
Language: English
Abstract:

Hydropower sites with very low head are recently getting renewed interest with governments providing subsidies to meet the renewable energy targets. This study deals with the investigation of the Dethridge wheel, which was originally meant for flow measurement purposes, for developing power from very low head sites in open channel flow. Two different approaches are taken to assess the potential of the Dethridge wheel for electricity generation. The first is the experimental approach with a physical model of the wheel built and tested in the laboratory environment. The second approach is the three dimensional numerical modelling of the Dethridge wheel using a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code Flow-3D. The physical model tests show that at constant water levels the rotational speed of the wheel holds a linear relationship with torque as well as with flow rate. Using these linear regression models, full performance curves of the wheel are developed. Uncertainty analysis is carried out for all the measured data. The wheel housing, wheel to channel width ratio, blade numbers, channel transition shapes and the bottom clearance gap were experimentally investigated for their impact on the wheel performance. Original wheel housing is modified to allow side filling and emptying of the blade cells, which led to gain in efficiency. Performance of the wheel is observed to drop with increased number of blades. Wheel to channel width ratio plays vital role on the performance of the wheel. Two times wider channel is desired to allow for the side filling and emptying of the blade cells and thus improved efficiency. Effect of gradual transition is minimal on wheel performance suggesting no requirement of special channel transition profiles. Bottom clearance gap is identified to be important in controlling leakage losses and consequently wheel performance. A three dimensional CFD model of Dethridge wheel is developed. The Renormalization Group (RNG) model is employed for modelling the turbulence. The wheel motion is modelled using the General Moving Object (GMO) model. Numerical model results are assessed for numerical and model uncertainties. Effect of surface roughness, turbulence model, advection scheme, blade thickness and domain symmetry is studied and validated against the physical model results. A rigorous approach of numerical uncertainty analysis called Grid Convergence Index (GCI) method is employed. Impact of blade shape and shroud shape modification is investigated on the numerical model. Modification of both blade and shroud shape led to the improvement in performance of the wheel. The computed results are in good agreement with the measured results. The development of a CFD model enhances our understandings of the complex hydrodynamics of the wheel. The research findings has revealed that Dethridge wheel is a potential device for energy extraction from open channel flows. An efficiency of around 60% is achieved on the physical model tests. Given the simple and robust design of the wheel, this wheel could be implemented for decentralised pico-scale hydropower generation from very low head sites.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Um die hochgesteckten Ziele zum Schutz der Umwelt zu erreichen, unterstützt die Bundesregierung die Erneuerbaren Energien. Dabei rückt auch die Energiewandlung durch Kleinwasserkraft in den Fokus, die in dieser Arbeit am Dethridge Wasserrad untersucht wird. Das Dethridge Wasserrad wurde für die Abflussmessung in Bewässerungskanälen entwickelt und wird in dieser Arbeit zur Energiewandlung an Standorten mit sehr geringen Fallhöhen untersucht. Hier wird der sogenannte hybride Ansatz verfolgt: Zuerst wird ein physikalisches Modell zu Testzwecken in Laborumgebung aufgebaut und untersucht. Die zweite Methode ist die numerische Simulation der dreidimensionalen Strömung durch das Dethridge Rad mit der kommerziellen Software Flow-3D. Die Erkenntnisse aus beiden Methoden werden miteinander verglichen bzw. ineinander überführt. Die Experimente zeigen, dass bei konstantem Wasserstand die Umdrehungsgeschwindigkeit des Wasserrads einen linearen Zusammenhang mit dem Drehmoment und dem Durchfluss durch das Wasserrad aufweist. Mit Hilfe dieses Zusammenhangs werden Leistungskurven und Wirkungsgrade dargestellt und detailliert analysiert. Eine Fehleranalyse wird für alle gemessenen Werte durchgeführt und diskutiert. Der Einfluss des Einhausung des Rades, des Verhältnisses zwischen Rad- und Kanalbreite, der Schaufelanzahl, der Geometrie im Zustrombereich des Rades und des Spaltmaßes zwischen Schaufel und Kanal wird im Hinblick auf Leistung und Wirkungsgrad untersucht. Um ein optimales Befüllen und Entleeren der Schaufelzellen zu ermöglichen wird die Geometrie der Einhausung verändert; eine Leistungssteigerung wird so erreicht. Ein Leistungsabfall wird bei größerer Schaufelanzahl beobachtet. Auch das Verhältnis zwischen Rad- und Kanalbreite hat einen großen Einfluss auf die Leistung. Hier sollte ein doppelt so breiter Kanal im Verhältnis zur Schaufelbreite geplant werden, um das leistungssteigernde Befüllen und Entleeren der Schaufelzellen zu begünstigen. Die Form des Übergangs von Zustromkanal zu Wasserradkanal hat keinen merklich Einfluss auf die Leistung des Rades. Wie erwartet führt ein geringeres Spaltmaßzu geringeren Verlusten. Die Simulation der Strömung durch das Dethridge Wheel wird mit Flow-3D durchgeführt und Erkenntnisse mit den Ergebnissen des physikalischen Modells vergleichen. Zur Simulation der Turbulenzen wird das "Renormalization Group Modell (RNG)" verwendet, die bewegten Schaufeln werden mit dem "General Moving Object (GMO) Modell" abgebildet. Numerische Unsicherheiten werden detailliert untersucht. Die Effekte der Oberflächenrauheit, des Turbulenzmodells, des Advektionsschemas, und der Schaufeldicke werden mit den Ergebnissen der Experimente verglichen. Der "Grid Convergence Index (GCI)" wird verwendet, um die Unabhängigkeit von dem verwendeten Rechengitter und die Unsicherheiten der Konvergenz zu analysieren und zu bewerten. Verschiedene Schaufelgeometrie und Bodensegmentformen werden mit numerischen Simulationen untersucht. Veränderungen beider Geometrien führen zu einer Optimierung, also zu einer Leistungssteigerung des Wasserrads. Die Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit den experimentellen Erkenntnissen überein. Das Dethridge Wasserrad hat das Potential zur Energiegewinnung in offenen Kanälen. Dabei wurde in den Experimenten ein Wirkungsgrad von über 60% gemessen. In Anbetracht des einfachen und robusten Designs des Wasserrads wird es für die dezentrale Energiewandlung bei sehr geringen Fallhöhen vorgeschlagen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 16 Feb 2016 15:57
Last Modified: 16 Feb 2016 15:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53026
Referees: Lehmann, Prof. Dr. Boris and Saenger, Prof. Dr. Nicole
Refereed: 3 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5302
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