Master's Thesis

CFD simulation of the hydrokinetic energy converter using flow-induced vibrations

Final Thesis 5.35 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Vaverka

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: Ing. Roman Klas, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Bezdíček

Abstract:

Flow-induced vibrations on bodies of different shapes are investigated by CFD simulations. The influence of the mass of the body, the spring stiffness and the value of the added damping on the dynamic behaviour of the system is evaluated. A combination of the 6DOF function and a dynamic computational mesh is used to move the body around the y-axis solely by fluid flow. The output is an evaluation of the forces acting on the body, the trajectory of the body and the possible power that the body could generate by its motion.

Keywords:

Flow-induced vibrations, hydrokinetic energy harvester, Kármán vortex path, computational fluid dynamics, dynamic computational mesh, 6DOF function

Date of defence

20.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student na úvod představil svoji závěrečnou práci. Následovalo čtení posudků vedoucího práce a oponenta. Po zodpovězení otázek oponenta se přešlo k otázkám komise: jak byla řešena interakce mezi kapalinou a tělesem? Jak si vysvětlujete tak velký rozdíl v chování mezi kruhovým průřezem a jiným? Jak se liší Kármánova vírová stezka za pevným tělesem a pohyblivým tělesem? Student všechny otázky uspokojivě zodpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

doc. Dr. Ing. Lumír Hružík (předseda)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloslav Haluza, CSc. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
Ing. Jindřich Veselý, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Roman Klas, Ph.D.

Autor zpracoval diplomovou práci zabývající se CFD simulací zařízení vykazujícího znaky hydrokinetického měniče energie. V rešeršní části popsal základní typy měničů a definoval hlavní vlastnosti především lineárních oscilátorů.

Následně se soustředil na realizaci CFD simulací kmitajících těles buzených protékající kapalinou. Vyhodnotil potřebné parametry a zhodnotil vliv jednotlivých členů.

Student řešil téma diplomové práce samostatně a věnoval poměrně značné úsilí velké šíři časově náročných výpočtů. Bylo by však přínosné, kdyby byla větší pozornost zaměřena na systematický a ucelený popisu závěrů a některých zákonitostí, které během řešení získal. Tím by mohl diplomovou práci dále povýšit.

I tak si zpracování diplomové práce vyžádalo studium širšího okruhu literárních zdrojů a potřebné dovednosti a čas k realizaci a vyhodnocení výsledků uskutečněných simulací.

Diplomovou práci proto doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jiří Bezdíček

Diplomant Bc. Jakub Vaverka se v rámci své výpočtově zaměřené diplomové práce věnoval tématu: “CFD simulace hydrokinetického měniče energie využívajícího vibrace indukované prouděním “. Práce je standardně rozdělena na teoretickou a výpočetní část.

Teoretická část práce je přehledně členěna do čtyř kapitol. Provedená rešerše se zabývá především způsoby využití hydrokinetické energie. Tato část byla pojata přehledem jednotlivých hydrokinetických zařízení především z hlediska jejich konstrukce a funkce, načež navazuje stručný přehled teorie lineárních a nelineárních oscilátorů. Student čerpal převážně ze zahraniční literatury, kdy použil relevantní i aktuální zdroje zabývající se danou problematikou.

Hlavní náplní práce byla numerická 2D simulace provedená v softwaru Ansys Fluent. Zkoumány byly tři tvary tělesa, které reprezentovaly zjednodušenou geometrii hydrokinetického měniče, konkrétně se jednalo o čtverec, kruh a trojúhelník. Pohyb tělesa byl buzen nestacionárním proudovým polem. V části „výsledky“ student posuzuje vliv hmotnosti, tuhosti a tlumení tělesa na výchylku kmitů a síly na těleso. Byly porovnány různé konfigurace, kdy jeden parametr byl zvolen jakožto proměnná a zbylé dva parametry byly nastaveny jakožto konstantní. U každé jednotlivé analýzy je kritické zhodnocení z pohledu fyzikálního ale i z pohledu ovlivnění výsledků zvoleným numerickým modelem. Je třeba dodat, že více sjednocené zpracování dat z těchto analýz, např. z hlediska jednotlivých tvarů měniče, by mohlo vést k lepším interpretacím výsledků. Na závěr nechybí výpočet výkonu zařízení, přičemž z analyzovaných variant bylo určeno, pro jakou konfiguraci parametrů a pro jaký tvar má hydrokinetický měnič nejvyšší užitečný výkon.

Práci lze vytknout některé formální nedostatky, patří mezi ně především některé formulace, které nejsou příliš vhodné pro práci typu technické zprávy, např: „Při porovnání je jasně vidět “. V malé míře se v práci objevily i překlepy. Z hlediska počtu provedených výpočtů a použitých metod modelování se jedná o nadprůměrnou práci, která splňuje všechny předem vytyčené cíle, jež jsou dále rozšířeny např. o studium vlivu okrajových podmínek na dynamiku tělesa.

Vzhledem k výše uvedenému doporučuji diplomovou práci k obhajobě s celkovým hodnocením: B
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V práci byla použita metoda dynamické sítě „Layering“, jaké nevýhody, případně výhody by přineslo použití dalších dvou metod, tj. „Smoothing“ a „Remeshing“, které jsou dostupné v softwaru Fluent?
  2. Proč bylo pro analýzu vlivu tlumení použito konkrétně naladění tělesa, které bylo dáno hodnotou tuhosti k = 300 N/m a hodnotou hmotnosti m = 3 kg?
  3. Při vibracích indukovaných víry může nastat tzv. „lock-in phenomenon“, který byl v práci na str. 31 zmíněn. Jakou má souvislost s bezrozměrnou veličinou redukovaná rychlost? Je možné tento jev pozitivně využít, nebo je spíše nevýhodou?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová