Erik Tengs har fått drømmejobben. Fra sivilingeniørstudiet på NTNU gikk veien rett til høyteknologibedriften EDR Medeso og en såkalt nærings-ph.d. i et prestisjeprosjekt innenfor vannkraftforskning.

Av Stein Arne Bakken i Fagbladet Energiteknikk. Innlegget er hentet fra forskningsbilaget om vannkraftforskning og HydroCen som utkom i mars 2017

Vi treffer 25-åringen fra Bærum i lokalene til EDR Medeso i Sandvika. Sammen med gruppen på ti høyt kompetente medarbeidere skal han videreutvikle et simuleringsverktøy og dokumentere korrekt metode for simulering av høytrykks francisturbiner, slik at disse motstår sprekkdannelse.

Sprekker er nemlig oppdaget på slike løpehjul som er levert de siste 15 årene, fra alle de store turbinprodusentene. Flere kraftverk har vært nødt til å skifte ut løpehjul, og i enkelte tilfeller har disse havarert etter kort tid. Dette har gitt støtet til HiFrancis, det hittil største forskningsprosjektet for både Vannkraftlaboratoriet ved NTNU i Trondheim og EDR Medeso, som deler prosjektansvaret. Formålet med prosjektet, som nå blir videreført i regi av HydroCen, er å finne årsakene til at det oppstår sprekker i francisturbiner. Økt kunnskap om disse kompliserte forholdene er nødvendig for å kunne konstruere løpehjul som motstår sprekkdannelser.

Sykliske laster og utmatting

Opphavet til slike sprekkdannelser er sykliske laster og utmatting av løpehjulet. Slike fenomener kan beregnes av simuleringsverktøyet ANSYS med bruk av CFD (Computational Fluid Dynamics) og FSI (Fluid-Structure Interactions).

Men korrektur bruk, modellantakelser og arbeidsprosess må dokumenteres for å kunne simulere effektivt og nøyaktig de svært komplekse strømningene og lastene som oppstår i høyttrykks francisturbiner. Det er skal skje gjennom det fireårige FoU-prosjektet High Head Francis – FSI Toolkit, som gjennomføres av EDR Medeso med støtte fra Norges forskningsråd.

God faglig miljø

Erik Tengs får en nøkkelrolle i prosjektet gjennom sitt doktorgradsarbeid. – Dette blir en krevende opgave, og da er det godt å vite at jeg får jobbe tett sammen med så mange dyktige og erfarne medarbeidere her på huset, sier han.

Masteroppgaven til Tengs var innenfor området strømningsteknikk, der han brukte numeriske CDF-verktøy for å analysere og simulere strømninger i væsker. Etter at han var ferdig med mastergraden i fjor sommer, tok han umiddelbart fatt på ph.d.-studiet. Han har hatt tilhold i forskningsmiljøet ved Vannkraftlaboratoriet for å lære mest mulig om HiFrancis-prosjektet. Etter nyttår har arbeidsplassen vært EDR Medeso, men Tengs reiser jevnlig til Trondheim.

Enorme datamengder

Den store utfordringen er å behandle de enorme datamengende når strømninger i vannet i en francisturbin skal beregnes og simuleres i en datamaskin. Det gjelder ikke minst når det oppstår interaksjon mellom kreftene fra vannet og turbinstrukturen, slik tilfellet er med de nyere francishjulene. Disse er nemlig blitt laget med bruk av mindre stål, de er ikke så massive og stive som de gamle hjulene. Trykket fra vannet kan få løpehjul til å vibrere, og disse kreftene virker igjen tilbake på vannet, og det oppstår en interaksjon mellom laster.

– Dermed må vi forholde oss til en meget kompleks fysikk som det naturlig nok er krevende å forstå og beregne eksakt. Du skal ha oversikt over trykkpulsasjoner og frekvens i vannet, men også egenfrekvens og svingninger i løpehjulet, og hvordan disse ulike fenomenene virker i forhold til hverandre. I dag tar det veldig lang tid å kjøre slike FSI-simuleringer. En viktig oppgave for vårt FoU-prosjekt og mitt ph.d.-arbeid er å korte ned denne kjøretiden vesentlig, uten at det går utover nøyaktigheten i beregningene, sier Tengs.

Mye anvendt matematikk

Han legger til at en måte å korte ned tiden på er å forenkle geometrien ved å konsentrere seg om en mindre del av turbinen som er representativ, og på den måten få redusert mengden data.  – Det ligger veldig mye anvendt matematikk i dette arbeidet, sier han.

– Vi er helt avhengig av resultater fra modellforsøk i Vannkraftlaboratoriet for å kunne validere våre simuleringer på datamaskinen, slik at de numeriske beregningsmodellene stemmer i forhold til virkeligheten.

Dette blogginnlegget ble opprinnelig publisert 07.07.2017 på www.ntnutechzone.no

Stein Arne Bakken

Fra Fagbladet Energiteknikk