Research on transient flow characteristics and dynamic behaviour of hydraulic pumps in support of energy transition

(English) Amid the global shift to low-carbon energy, multi-energy complementary power systems are key to achieving carbon neutrality. Nuclear energy, pumped storage hydropower, and industrial waste energy recovery enhance energy system flexibility but increase demands on energy transfer and fluid transport. Hydraulic pumps, vital for energy conversion, face challenges: RCPs in Generation IV lead-cooled reactors suffer from corrosion and vibration; pumped storage units face stability issues; and industrial waste pressure recovery is inefficient under variable conditions. This study focuses on three core devices—RCPs, pump-turbines, and PATs—using analysis, simulation, and experiments to investigate their dynamics and propose optimizations. First, the transient fluid-structure interaction of lead-bismuth eutectic RCPs during startup was studied. A mathematical model for flow rate and rotational speed under various startup modes was developed. Bidirectional fluid-structure interaction analysis showed maximum stress at the impeller blade root and maximum deformation at the blade-hub/shroud junction. Higher startup torque increased acceleration and torsional shock, with peak stress linked to instantaneous rotational speed. These findings inform safer RCP startup design. Second, the dynamic characteristics of reversible pump-turbines under load rejection were studied using 3D transient simulations and entropy production theory to analyze energy loss. The study found the unit crosses the S-shaped region during load rejection, with complex flow under reverse pump conditions. When speed exceeded 110%, significant fluctuations in axial hydraulic thrust and torque were observed, and blade pressure loads became asymmetric. These findings improve understanding of pump-turbine transient behavior. Finally, a two-stage PAT system for high-pressure energy recovery in petrochemicals was studied, focusing on vortex evolution and pressure pulsations. Pulsations in the diffuser stemmed from rotor-stator interaction near the tongue, with strong inter-stage interference at the inlet impeller. Low-frequency pulsations from vortex shedding were detected at high flow rates, threatening system stability. Combined experiments and simulations clarified pulsation propagation, aiding inter-stage matching and efficiency improvements. The innovative results of this study have been published in leading fluid mechanics and energy journals. They advance the theoretical understanding of hydraulic pump dynamics and provide practical solutions for nuclear safety, grid flexibility, and industrial energy conservation. The main body of the dissertation details each research component, with three supporting JCR Q1 articles appended. (Català) Enmig de la transició global cap a una energia de baix carboni, els sistemes d'energia complementària multi-energia són clau per aconseguir la neutralitat de carboni. L'energia nuclear, la hidroelèctrica d'emmagatzematge per bombeig i la recuperació d'energia dels residus industrials milloren la flexibilitat del sistema energètic, però augmenten les demandes sobre la transferència d'energia i el transport de fluids. Les bombes hidràuliques, vitals per a la conversió d'energia, afronten reptes: les RCP en reactors de plom-refredats de la Generació IV pateixen corrosió i vibracions; les unitats d'emmagatzematge per bombeig tenen problemes de estabilitat; i la recuperació de pressió de residus industrials és ineficient en condicions variables. Aquest estudi se centra en tres dispositius clau—les RCP, les bombes-turbines i les PAT—mitjançant anàlisi, simulació i experiments per investigar la seva dinàmica i proposar optimitzacions. En primer lloc, es va estudiar la interacció transitoria fluid-estructura de les RCP de eutèctic plom-bismut durant l'arrencada. Es va desenvolupar un model matemàtic per al cabal i la velocitat de rotació sota diversos modes d'arrencada. L'anàlisi bidireccional de la interacció fluid-estructura va mostrar que l'estrès màxim es produeix a l'arrel de la pala del rotor i la màxima deformació a la unió entre la pala i el cub de la pala. Un parell d'arrencada més alt va augmentar l'acceleració i el xoc torsional, amb l'estrès màxim vinculat a la velocitat de rotació instantània. Aquests resultats informen sobre el disseny segur de l'arrencada de les RCP. En segon lloc, es van estudiar les característiques dinàmiques de les bombes-turbines reversibles durant el rebuig de càrrega mitjançant simulacions transitories en 3D i la teoria de producció d'entropia per analitzar la pèrdua d'energia. L'estudi va trobar que la unitat travessa repetidament la regió en forma de S durant el rebuig de càrrega, amb un flux complex sota condicions de bomba inversa. Quan la velocitat superava el 110%, es van observar fluctuacions importants en la força hidràulica axial i el parell, i les càrregues de pressió a les pales es van tornar asimètriques. Aquests resultats milloren la comprensió del comportament transitori de les bombes-turbines. Finalment, es va estudiar un sistema de PAT de dues etapes per a la recuperació d'energia a alta pressió en aplicacions petroquímiques, centrant-se en l'evolució del vòrtex i les pulsacions de pressió. Les pulsacions de pressió al difusor es van originar principalment per la interacció rotor-estator a prop de la llengua, amb una interferència entre etapes més forta al impulsor d'entrada. Es van detectar pulsacions de baixa freqüència per despreniment de vòrtex a altes velocitats de flux, amenaçant l'estabilitat del sistema. Els experiments combinats amb simulacions van aclarir la propagació de les pulsacions entre els impulsores, ajudant a l'ajust entre etapes i a millorar l'eficiència. Els resultats innovadors d'aquest estudi s'han publicat en revistes líders en mecànica de fluids i energia. Aquests avancen en la comprensió teòrica de la dinàmica de les bombes hidràuliques i proporcionen solucions pràctiques per a la seguretat nuclear, la flexibilitat de la xarxa i la conservació d'energia industrial. El cos principal de la tesi detalla cada component de la recerca, amb tres articles de suport en revistes JCR Q1 annexats. (Español) En medio de la transición global hacia una energía de bajo carbono, los sistemas de energía complementaria multi-energía son clave para lograr la neutralidad de carbono. La energía nuclear, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo y la recuperación de energía de desechos industriales mejoran la flexibilidad del sistema energético, pero aumentan las demandas sobre la transferencia de energía y el transporte de fluidos. Las bombas hidráulicas, esenciales para la conversión de energía, enfrentan desafíos: las bombas de refrigerante del reactor (RCP) en los reactores de enfriamiento por plomo de la Generación IV sufren de corrosión y vibración; las unidades de almacenamiento por bombeo enfrentan problemas de estabilidad; y la recuperación de presión de desechos industriales es ineficiente bajo condiciones variables. Este estudio se enfoca en tres dispositivos clave: RCPs, bombas-turbinas y PATs, utilizando análisis, simulación y experimentos para investigar su dinámica y proponer optimizaciones. En primer lugar, se estudió la interacción fluido-estructura transitoria de las RCPs de eutéctico de plomo-bismuto durante el arranque. Se desarrolló un modelo matemático para el caudal y la velocidad de rotación bajo varios modos de arranque. El análisis bidireccional de interacción fluido-estructura mostró que el máximo estrés ocurre en la raíz de la pala del impulsor y la máxima deformación en la unión entre la pala y el cubo/carenado. Un mayor par de arranque aumentó la aceleración y el choque torsional, con el estrés máximo vinculado a la velocidad de rotación instantánea. Estos hallazgos informan el diseño más seguro del arranque de las RCPs. En segundo lugar, se estudiaron las características dinámicas de las bombas-turbinas reversibles bajo condiciones de rechazo de carga utilizando simulaciones transitorias en 3D y la teoría de producción de entropía para analizar la pérdida de energía. El estudio encontró que la unidad cruza repetidamente la región en forma de S durante el rechazo de carga, con un flujo complejo bajo condiciones de bomba inversa. Cuando la velocidad superó el 110% de la velocidad nominal, se observaron fluctuaciones significativas en la fuerza hidráulica axial y el par de torsión, y las cargas de presión en las palas se volvieron asimétricas. Estos hallazgos mejoran la comprensión del comportamiento transitorio de las bombas-turbinas. Finalmente, se estudió un sistema de PAT de dos etapas para la recuperación de energía a alta presión en aplicaciones petroquímicas, centrándose en la evolución del vórtice y las pulsaciones de presión. Las pulsaciones en el difusor provienen de la interacción rotor-estator cerca de la lengua, con una interferencia entre etapas más fuerte en el impulsor de entrada. Se detectaron pulsaciones de baja frecuencia debido a la expulsión de vórtices a altas velocidades de flujo, lo que amenaza la estabilidad del sistema. Los experimentos y simulaciones combinados aclararon la propagación de las pulsaciones, lo que ayudó al ajuste entre etapas y mejoró la eficiencia. Los resultados innovadores de este estudio han sido publicados en revistas líderes de mecánica de fluidos y energía. Avanzan la comprensión teórica de la dinámica de las bombas hidráulicas y ofrecen soluciones prácticas para la seguridad nuclear, la flexibilidad de la red y la conservación de energía industrial. El cuerpo principal de la tesis detalla cada componente de la investigación, con tres artículos de apoyo en revistas JCR Q1 adjuntos.