Innovative approach for the design of hydraulic intakes through a customized CFD cloud application

With the saturation of conventional high head and high flow rates sites in the most developed countries, the future of hydroelectric energy is represented by the micro-hydroelectricity. Since head and flow rate are limited, reducing as much as possible the total energy losses, becomes crucial, considering also high specific investment costs. The present thesis adopts the Computational Fluid Dynamics (CFD), through a CFD cloud application, named CONSELF, to study and improve an intake structure, characterized by a tank, of a hydroelectric plant located in Ferrara, employing two Archimedes screw turbines. The innovation is represented not only by the adoption of a customized and user-friendly CFD cloud application, but above all by a new design approach for intake structures in micro-hydroelectricity, that was generally based on technical handbooks. At first, multiphase simulations are carried out to compute the free water level and head losses in the tank. Then, as they are very expensive from resources (time and cost) point of view, the approach shifts to the single-phase simulations; after the verification of their accordance with the multiphase ones. An intensive modification of the OpenFOAM CFD algebraic and numerical schemes, initially present in the application, has been fundamental to achieve a stable and realistic solution. Since the results on the original geometry are in accordance with the experimental measurements, different configurations for the enhancement of the actual situation are studied and the best solution, according to a techno-economical compromise, is suggested. It is important to highlight that CFD results are never intended to replace scale model testing, but can represent a valid complement to experimental tests, reducing the total effort required in laboratory tests, if used properly. Finally, a Python script for the total energy computation, which allows to save a considerable amount of time in the post-processing phase, is proposed and tested.

Con la saturazione dei siti convenzionali caratterizzati da salti e portate elevate, soprattutto nei Paesi più sviluppati, il futuro dell’idroelettrico è rappresentato dalla micro-idroelettricità. Essendo il salto e la portata limitati, ridurre il più possibile le perdite di carico diventa cruciale, considerando anche l'elevato costo specifico di investimento. In questa tesi verrà usata la fluidodinamica computazionale (CFD), tramite un'applicazione CFD via cloud, CONSELF, per studiare e migliorare un’opera di presa di un impianto idroelettrico situato a Ferrara, con due coclee. L’innovazione è rappresentata non solo dall’impiego di un’applicazione personalizzabile e di facile utilizzo, ma soprattutto da un nuovo approccio di progettazione per le opere di presa di piccoli impianti idroelettrici, per le quali ci si basava solo sull’esperienza e su manuali tecnici. Per calcolare il pelo libero e le perdite di carico, dapprima vengono eseguite simulazioni multifase. In seguito, essendo molto dispendiose dal punto di vista delle risorse (tempo e costo), l’approccio si sposta su simulazioni monofase, dopo aver verificato la concordanza con i risultati di quelle multifase. Importanti modifiche negli schemi algebrici e numerici CFD, inizialmente presenti nell'applicazione, si sono rivelate fondamentali per ottenere una soluzione stabile e realistica. Essendo i risultati sulla geometria originale in accordo con le misure sperimentali, differenti configurazioni migliorative vengono studiate e si propone la miglior soluzione, secondo un compromesso tecno-economico. È importante rimarcare che i risultati delle simulazioni CFD non sono destinati a sostituire i test su modelli in scala, ma costituiscono un valido complemento alle prove sperimentali, riducendo lo sforzo richiesto nei test di laboratorio, se usati correttamente. Infine, verrà proposto e testato uno script Python per il calcolo dell'energia totale, che permetterà di risparmiare una notevole quantità di tempo nella fase di post-processing.