Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Axial flow fan arrays form part of air-cooled steam condensers in direct drycooled power plants. This dissertation investigates the performance of axial flow fans when located at the perimeter of a fan array. The perimeter (or edge) fans may experience a reduction in air flow through the fan due to the prevalence of distorted inlet conditions upstream of the fan. The reduction in air flow leads to a reduction in the heat transfer capability of the steam condenser and a consequent reduction in the electricity output of the power plant. Due to the physical size of an air-cooled condenser, full-scale experiments are often impractical and computational fluid dynamics (CFD) is used to model its performance under various conditions. To limit the size of the CFD model the axial flow fans in the CFD analysis are represented by means of simplified methods. Three different simplified methods are presented and applied to a CFD model of a single axial flow fan, namely the pressure jump method (PJM), actuator disc method (ADM) and extended actuator disc method (EADM). The results are compared to experimental values. The comparison highlights the limitations of the models: The ADM fails to model fan performance correctly at low flow rates, while the PJM ignores the variation in fan blade properties at different locations within the fan rotor. The EADM is presented as an improvement on both the other two models. A multiple fan test facility is constructed, consisting of three 630 mm diameter fans extracting air from a common inlet chamber. The inlet chamber is constructed in such a way that one of the three fans act as the perimeter (edge) fan. The floor of the inlet chamber can be adjusted to increase or reduce the inlet flow distortion experienced by the edge fan. Six different fan configurations are tested in the position of the edge fan and an empirical method is derived by which the volumetric effectiveness of an edge fan can be predicted. The experimental results are compared to CFD results for the same facility using the three different simplified simulation methods investigated previously. Particle image velocimetry (PIV) measurements are also performed upstream of the edge fan and the velocity profiles at the inlet of the fan are compared to the profiles obtained numerically. The comparisons show that the EADM predicts the performance of the edge fan more accurately than the ADM en PJM. The effect of adding a walkway and removing the bell mouth upstream of the edge fan was investigated using the EADM. The results are used to show the location of the loss mechanisms upstream of the edge fan. The addition of a walkway moves the location of the pressure loss away from the edge fan bell mouth towards the edge of the walkway. Consequently the distortion directly upstream of the edge fan is reduced and its volumetric effectiveness increased. The effect of removing the edge fan’s bell mouth is similar to the effect of adding a walkway upstream of the edge fan. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Aksiaalwaaiermatrikse vorm deel van lugverkoelde kondensors in direk droëverkoelde kragstasies. Hierdie verhandeling ondersoek die werkverrigting van aksiaalwaaiers wat geleë is op die rand van ‘n groot waaiermatriks. Die randwaaiers kan ’n vermindering in deurvloei ondervind as gevolg van versteurde inlaattoestande stroom-op vanaf die waaier. Die vermindering in lugvloei lei tot ’n vermindering in die warmetoordagvermoë van die stoomkondensor en ’n gepaardgaande afname in die elektrisiteitslewering van die kragstasie. As gevolg van die fisiese grootte van die lugverkoelde kondensor is volskaalse eksperimente gewoonlik onprakties en word berekeningsvloeimeganika (BVM) gebruik om die werking van die aanleg onder verskeie toestande te modelleer. Ten einde die grootte van die BVM model te beperk, word die aksiaalwaaiers in so ‘n BVM analiese voorgestel met behulp van vereenvoudigde metodes. Drie verskillende vereenvoudigde metodes word aangebied en toegepas op ‘n BVM model van ‘n enkelwaaier, naamlik die druksprongmetode, die aksieskyfmetode en die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word vergelyk met eksperimentele waardes. Die vergelyking benadruk die beperkings van die modelle: Die aksieskyfmetode kan nie die werking van die waaier akkuraat voorspel by lae vloeie nie en die druksprongmetode ignoreer die variasie in lemeienskappe op verskillende liggings binne-in die waaierrotor. Die verlengde aksieskyfmetode word voorgestel as ‘n verbetering op die ander twee metodes. ‘n Veelvuldige waaiertoetsfasiliteit is saamgestel, bestaande uit drie 630 mm deursnee waaiers wat lug uit ’n gemeenskaplike inlaatkamer suig. Die inlaatkamer is so saamgestel dat een van die waaiers in die fasiliteit ‘n randwaaier verteenwoordig. Die vloerhoogte van die inlaatkamer kan aangepas word om die inlaatversteuring wat deur die raandwaaier ondervind word te vermeerder of te verminder. Ses verskillende waaierkonfigurasies is getoets in die randwaaierposisie. ‘n Empiriese metode waarmee die volumetriese effektiwiteit van ‘n randwaaier voorspel kan word is afgelei. Die eksperimentele resultate word vergelyk met ooreenstemmende BVM resultate vir dieselfde fasiliteit deur gebruik te maak van die drie verskillende vereenvoudigde metodes wat vroeër ondersoek is. Partikelbeeld snelheidsmetings word ook stroom-op vanaf die randwaaier uitgevoer en die snelheidsprofiele by die inlaat van die waaier word vergelyk met profiele wat numeries bereken word. Die vergelykings wys dat die verlengde aksieskyfmetode die werkverrigting van ’n aksiaalwaaier meer akkuraat voorspel as die aksieskyf- of druksprongmetodes. Die effek van die installering van ‘n loopvlak en die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk word ondersoek met behulp van BVM deur gebruik te maak van die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word spesifiek gebruik om die ligging van die verliesmeganismes stroom-op vanaf die randwaaier aan te dui. Die resultate wys dat die installering van ‘n loopvlak die ligging van die drukverlies wegneem vanaf die rand van die waaierinlaat na die rand van die loopvlak. Dit verminder die inlaatversteuring stroom-op vanaf die randwaaier en die volumetriese effektiwiteit word verhoog. Die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk het ‘n soortgelyke effek as die installering van ‘n loopvlak stroom-op vanaf die randwaaier.

Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The use of air-cooled steam condensers (ACSCs) is the preferred cooling method in the chemical and power industry due to stringent environmental and water use regulations. The performance of ACSCs is however highly dependent on the influence of windy conditions. Research has shown that the presence of wind reduces the performance of ACSCs. It has been found that cross-winds (wind perpendicular to the longest side of the ACSC) cause distorted inlet flow conditions, particularly at the upstream peripheral fans near the symmetry plane of the ACSC. These fans are subjected to what is referred to as '2-D' wind conditions, which are characterised by flow separation on the upstream edge of the fan inlets. Experimental investigations into inlet flow distortion have simulated these conditions by varying the fan platform height. Low platform heights resulted in higher levels of inlet flow distortion, as also found to exist with high cross-wind speeds. This investigation determines the performance of various fan configurations (representative of configurations used in the South- African power industry) subjected to distorted inlet flow conditions through experimental and numerical investigations. The similarity between platform height and cross-wind effects is also investigated and a correlation between system volumetric effectiveness, platform height and cross-wind velocity is found. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van lugverkoelde stoom kondensors (LVSK's) word verkies as 'n verkoelingsmetode in die chemiese- en kragvoorsieningsindustrie as gevolg van streng omgewings- en waterverbruiksregulasies. Die werkverrigting van LVSK's word egter grootliks beïnvloed deur die teenwoordigheid van wind. Navorsing het gewys dat die teenwoordigheid van wind die werkverrigting van LVSK's verminder. Daar was gevind dat kruiswinde (wind loodreg tot die langste sy van die LVSK) versteurde inlaat vloeitoestande veroorsaak, veral by waaiers wat aan die stroomop kant van die LVSK naby die simmetrievlak geleë is. Hierdie waaiers word blootgestel aan na wat verwys word as '2-D' windtoestande wat gekenmerk word deur vloeiwegbreking wat plaasvind by die stroomop rand van die waaierinlate. Eksperimentele ondersoeke van inlaat vloeiversteurings het hierdie toestande gesimuleer deur die waaier platformhoogte te verstel. Lae platform hoogtes het gelei tot hoër vlakke van inlaat vloeiversteuring, soortgelyk aan wat gevind word met hoë kruiswindsnelhede. Hierdie ondersoek gebruik numeriese en eksperimentele metodes om die werkverrigting van verskeie waaierkon gurasies (verteenwoordigend van kon- gurasies wat gebruik word in die Suid-Afrikaanse kragvoorsieningsindustrie) wat blootgestel word aan versteurde inlaat vloeitoestande te bepaal. Die ooreenkoms tussen platformhoogte en kruiswind e ekte word ook ondersoek en 'n korrelasie tussen die sisteem volumetriese e ektiwiteit, platformhoogte en kruiswindsnelheid word bepaal.