Full Proceedings: IJREWHS 2019

Full proceedings for the 7th International Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures

Turbulent Flow Modeling at Tunnel Spillway Concave Bends and Prediction of Pressure using Artificial Neural Network

A tunnel spillway is one of the spillway types in which a high free surface flow velocity is established. The pressure increases in concave vertical bends due to the rotational acceleration and the nature of irregularities in the turbulent flow. Physical models are the best tools to analyze this phenomenon. The number of the required physical models to cover all practical prototype condition analysis is so large that makes it impractical in terms of placement and costs. Therefore, the FLOW-3D software has been chosen to analyze and produce a database of turbulent flow in tunnels concave bends covering all possible practical alternatives. Various tunnels with different discharges and geometries have been simulated by this software. The numerical results were verified with the experimental ones of the constructed physical model of Alborz Dam tunnel spillway, and a satisfactory agreement was obtained. Dimensional analysis is used to group the involved variables of the problem into dimensionless parameters. These parameters are utilized in the artificial neural network simulation. The results showed a correlation coefficient R2=0.95 between the dimensionless parameters obtained by the Flow-3D software and those predicted by the neaural network which leads to the conclusion that the artificial neural network based on the database obtained by the turbulent flow modeling in this regard is a powerful tool for pressure prediction

A Study Of Flow Induced Vibration At Hydraulic Physical Modellingof Kenyir Dam Spillway

Dams, reservoirs, and other structures like spillways and intake are crucial components of infrastructure for water supply, power generation, storage and flood control, as well as for preventing negative societal and environmental effects that may result from failure, malfunction, or poor design. The design, building, operation, management, safety, and sustainability of dams are all hydraulic issues that are addressed by the hydraulic engineering of dams. This covers all aspects of a structure's hydraulic design, including vibration, vortices, airflow interactions, and dam breaches or wave propagation caused by a dam break. The aim of this study is to study of flow induced vibration at hydraulic physical modelling of Kenyir Dam Spillway. The analysis procedures were carried out using the SCADAS software which is specialized in evaluating vibration effect on structure. Uncontrolled discharge capacity, invalid geometrical properties, unpredictable rainfall leading to extreme floods downstream and also downstream failure because of erosion, sedimentation issues, vortex and the presence of turbulent flow besides the presence of friction were some of the significant factors that led to the reduction in spillway capacity. The results show that both cases model is still capable of withstanding the vibration's magnitude at different frequency since the peak value of magnitude for case Q = 60 L/s and Q = 90 L/s are 2.787 m/s2 and 3.626 m/s2 respectively

Modelagem em CFD para o estudo da estabilidade estrutural de barragens e vertedouros sujeitos ao galgamento

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019.Nessa dissertação, primeiramente são revisadas as normas técnicas para o cálculo estimado das forças hidrodinâmicas, incluindo a força vertical que lâmina de água transbordante exerce sobre a crista da estrutura. Em seguida, modelos de validação e verificação da técnica do CFD são simulados para garantir que o modelo computacional é adequado às analises que são feitas em seguida. Então, o CFD é utilizado para se obter uma melhora na técnica de estimativa dos campos de pressões hidrodinâmicas atuando sobre a crista retangular de barragens submersas. Os campos de pressão obtidos com CFD são usados como entrada para o cálculo de estabilidade feito com o método de gravidade para se obter uma melhor estimativa dos coeficientes de segurança e campos de tensão da estrutura. São apresentadas aplicações em uma barragem típica de 7,6 m de altura em que os coeficientes de segurança obtidos com CFD são comparados com aqueles obtidos com as estimativas de norma. Ao final, faz-se uma retroanálise de um vertedouro controlado por comporta que foi afetado pela enchente de Saguenay em 1996 em Québec, Canadá. As condições de fluxo complexas são analisadas sob diferentes condições: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detritos flutuantes. As simulações em CFD são feitas com o programa ANSYS Fluent. A validação do programa e dos modelos computacionais é feita em várias etapas. Primeiramente, um modelo bidimensional de escoamento em torno de um quadrado é simulado pois esse é um caso bem estudado e que se pode encontrar muitos resultados na literatura. O escoamento em torno de um cilindro também poderia ser estudado, pois esse também é um caso bem estudado e que possui solução analítica. No entanto a geração da malha em torno de um círculo é significativamente mais complicada e seria uma fonte de erros numéricos. O estudo escoamento em torno do quadrado é dividido em três partes: (i) escoamento laminar permanente, (ii) escoamento laminar transiente, (iii) escoamento turbulento transiente. O escoamento laminar permanente é estudado com um número de Reynolds até 60. Nesse caso, verifica-se os primeiros passos básicos da modelagem, como a forma correta de modelar a geometria, gerar malha, entrar com as condições de contorno, propriedades do material e fazer o pós-processamento e estuda-se a influência do tamanho do domínio e refinamento de malha na resposta. Os coeficientes de arrasto encontrados para esse caso foram praticamente idênticos aos encontrados na literatura. No caso laminar transiente, com Reynolds entre 40 e 200, estuda-se a além do efeito do domínio e da geometria, o efeito do tamanho do passo de tempo na resposta. Novamente, os resultados obtidos ficaram em boa concordância com o que se encontrou na literatura. Por fim, no caso turbulento transiente, com Reynolds igual a 22000, introduz-se o modelo de turbulência adotado para toda a pesquisa, que foi o k- SST. Verificou-se novamente que os resultados condizem com os registrados na literatura e foi possível obter a formação do corredor de vórtices alternados como esperado. A segunda etapa de validação foi a modelagem do escoamento vertical em queda livre de um filete de água, como a água que sai de uma torneira. O objetivo desse estudo foi introduzir o modelo multifásico escolhido para esse projeto, que foi o modelo de Volume de Fluido, e estudar a influência do refinamento da malha no cálculo de localização da interface água-ar. Inicialmente, o problema foi modelado com uma malha grossa, uma média e uma bem refinada. Percebeu-se que com a malha grossa não foi possível obter o perfil de água esperado e que após a água viajar apenas uma pequena fração do domínio o erro no cálculo da posição da interface já era tão grande que, essencialmente, a porção inferior do domínio não possuía água de acordo com a simulação. Já com a malha mais refinada, o perfil é bem calculado e o filete de água se forma como esperado. Em seguida, testou-se uma técnica de adaptação de malha em que, baseado no resultado de uma simulação concluída, identifica-se as células da malha que contém a interface e faz-se o refinamento dessas. Então, uma nova rodada de simulação é feita com a malha adaptada e repete-se esse processo iterativamente. Ao fazer essas simulações, descobriu-se que a região da malha que contém a interface é crítica para a determinação da posição da interface e que as demais regiões do domínio podem ser menos refinadas. Portanto, a técnica de adaptação de malha permite obter resultados mais acurados com menor esforço computacional. A terceira etapa de validação foi a modelagem do fluxo de água passando sobre um vertedouro padrão do tipo WES. Esse tipo de vertedouro é adotado e descrito por diversas normas. Faz-se um estudo de convergência do domínio e de malha. Após obter a convergência do domínio e da malha, o perfil da lâmina vertente e o campo de pressões sobre o vertedouro é comparado com as normas. Nessa etapa, verificou-se o tamanho de malha adequado para os problemas estudados em seguida e a forma correta de modelar o escoamento livre bifásico. A última etapa de validação foi a modelagem do escoamento de água sobre um vertedouro de soleira espessa. Nessa etapa, verificou-se duas possibilidades de aeração da lâmina vertente: (i) a introdução de uma condição de contorno na parede a jusante do vertedouro e (ii) o alargamento do domínio a jusante. Os resultados numéricos foram comparados com os resultados de um modelo experimental encontrado na literatura. Conclui-se que a estratégia de alargamento do domínio a jusante é mais precisa e versátil apesar de exigir a modelagem tridimensional, enquanto a outra estratégia pode ser aplicada em um modelo bidimensional. Portanto, para todos os estudos seguintes utiliza-se a estratégia de alargamento do domínio. Com a validação concluída, realizou-se três estudos: (i) estudou-se a força vertical sobre uma crista retangular devido às forças hidrodinâmicas, (ii) estudou-se a estabilidade de uma barragem real de perfil típico, (iii) fez-se uma retroanálise de um vertedouro atingido por uma enchente. O estudo da força vertical sobre uma crista retangular foi feito em um modelo semelhante ao modelo estudado na última etapa de validação, porém com dimensões diferentes. A partir das simulações em CFD, obteve-se os campos de pressão sobre a crista da barragem. Esses campos de pressão foram simplificados como sendo um campo trapezoidal que gere força e momentos equivalentes na estrutura. As normas de barragem sugerem que esse campo trapezoidal pode ser estimado como tendo uma pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente (a distância) a montante e metade desse valor a jusante. Com as simulações em CFD foi possível mostrar que usando dois terços da pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente a montante e um terço a jusante obtém-se uma estimativa muito mais precisa. Em seguida, fez-se o estudo de estabilidade de uma barragem utilizando o campo de pressões obtidos com CFD, a estimativa da norma e a estimativa melhorada. Utilizando o método da gravidade, calculou-se os coeficientes de segurança e tensões na barragem a partir dessas cargas. Comparando-se as três metodologias para estimar os campos de pressão, mostrou-se que as estimativas de norma superestimam a carga vertical na crista. Essa carga atua como uma carga estabilizante e, portanto, superestimá-la é contra a segurança. Esse efeito se torna mais evidente em barragens de pequeno porte com uma grande lâmina de água passando sobre ela. Em contrapartida, a estimativa melhorada sugerida aqui estima a carga vertical com precisão e, consequentemente, leva a um fator de segurança menor e mais próximo à realidade. Por fim, fez-se a retroanálise do vertedouro de Chute Garneau, em Québec, Canadá, que transbordou durante a enchente de Saguenay de 1996. Fez-se uma análise similar ao que foi feito para a barragem sob diferentes condições de fluxo: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detrito flutuante. Ao fazer o cálculo de estabilidade, percebeu-se que sob as condições normais de projeto, a estrutura provavelmente teria falhado. No entanto, sabe-se que a estrutura sobreviveu ao evento. Portanto, fez-se uma análise paramétrica variando a resistência à tração e a coesão na interface concreto-solo. Com a análise paramétrica verificou-se que com pequenos incrementos de resistência à tração e coesão os coeficientes de segurança subiam a ponto de atender as exigências de norma para segurança. Esses valores de resistência à tração e coesão adicionados estavam consideravelmente abaixo da média averiguada experimentalmente em outras estruturas da região. Isso indica que é provável que essa resistência à tração e coesão estavam presentes e foram responsáveis por garantir que a estrutura resistisse à enchente.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).A particularly challenging aspect in gravity dam stability assessment is the estimation of the induced hydrodynamic water pressure when water with significant velocity is overtopping gravity dams and flowing in or over spillway components. The water flow conditions, including the related pressure fields and resultant forces, are difficult to quantify accurately. Computational fluid dynamics (CFD) is an attractive alternative to physical models to quantify the hydrodynamic forces acting on overtopped gravity structures and spillways to assess their structural stability. Herein, existing dam safety guidelines to estimate the weight of the overflowing water nappe on gravity dams with rectangular crests are first reviewed. Then, validation and verification models are run to ensure that the computational models are suitable for the case studies that are analyzed later. After that, CFD is used to develop an improvement to the simplified estimation of hydrodynamic pressure fields acting on the rectangular crests of submerged gravity dams. The CFD pressures are used as input data to classical structural stability analyses based on the gravity method to more adequately quantify the dam sliding stability during overtopping. Applications are then presented on an existing 7.6 m high gravity dam comparing existing dam safety guidelines with proposed improvements based on CFD. A back analysis is also performed on the stability of an existing gated spillway with a bridge that was overtopped during the 1996 Saguenay flood in Québec. The complex flow conditions across the spillway are investigated, including the incidence of accumulated floating debris producing additional thrusts on the structure

Numerical and Physical Modelling of Aerated Skimming Flows over Stepped Spillways

Stepped spillways are commonly used to control overflows from reservoirs, as they dissipate significantly more energy than smooth spillways. At high discharges, skimming flow occurs over stepped spillways, in which significant air entrainment occurs. Numerical modelling has the potential to provide a useful tool to predict the important features of skimming flows over stepped spillways. However, numerical models must be validated against physical data sets, in order to determine whether they are able to accurately predict the required flow characteristics. This project investigates the ability of the Volume of Fluid (VOF), mixture and Eulerian multiphase models, in combination with a range of turbulence models, to predict a range of variables in skimming flows over stepped spillways, with particular focus on the ability of the models to predict air entrainment. A complex pattern of 3D vortices which occur in the step cavities is also investigated, both experimentally and numerically. The pressures acting on the step faces and spillway side walls are also studied. A narrow experimental stepped spillway was studied and pressures, flow depths and the locations of the inception point of air entrainment were measured. The spillway was numerically modelled in 3D, using a range of multiphase and turbulence models, and the results were compared to the experimental data. Experimental data from a second, significantly wider, stepped spillway was provided for this project. This spillway was numerically modelled in 2D and the numerical results were compared to the experimental data. A complex pattern of 3D vortices occurs in the step cavities of the narrow experimental stepped spillway. The direction of circulation of these vortices reverses at each consecutive step. The direction of circulation of the vortices is affected bythe flow rate and was observed to vary unpredictably over time. The Eulerian and mixture models were both shown to predict air entrainment, whereas the VOF model did not. All numerical models predicted the 3D vortex structures observed in the narrow experimental stepped spillway, and their associated effect on pressure. The time dependant behaviour of the vortices, however, was not predicted by the numerical models. 2D modelling using the Eulerian model, with the SST k-ω turbulence model, was found to be able to accurately predict velocities, AVFs, flow depths and the location of the inception point of air entrainment. The pressures and flow depth were also predicted reasonably accurately in 3D, using the Eulerian model with the SST k- ω model. The VOF model made accurate predictions of certain flow characteristics, however, the model’s performance is limited by the its inability to predict air entrainment. The mixture model was found to be significantly less accurate than the Eulerian model. Numerical modelling of spillways of various widths showed that, as the width of the channel increases, the 3D vortex structures in the step cavities repeat across the channel. This behaviour was confirmed experimentally, by modifying the narrow experimental spillway, in order to change the ratio of step height to channel width. An expression is presented, based on the channel width and step height, which is able to accurately predict the number of repetitions of the 3D vortices for all spillway geometries investigated in this project. The 3D vortex structures were shown to have a small effect on the velocities above the steps, however, these effects were highly localised and did not effect the width averaged velocities. The 3D vortex structures were also observed in channels of varying slope. The pressures acting on the step faces and side walls of the narrow stepped spillway were shown, both experimentally and numerically, to be significantly affected by the 3D vortex structures. This resulted in large pressure variations over short distances, which can pose a risk to masonry stepped spillways. Air entrainment was shown to reduce the high pressures acting on the step faces. The low pressures, however, were not significantly affected by the presence of air in the flow. Low pressures have the potential to cause damage to both concrete and masonry stepped spillways. The results of this project suggest that potentially damaging low pressures may occur in both the non-aerated and aerated regions of skimming flow over stepped spillways. This study demonstrates that a complex pattern of 3D vortices may occur in the step cavities of stepped spillways with varying geometries. This may have important implications for stepped spillways which are currently in service. The Eulerian multiphase model, in combination with the SST k-ω turbulence model, is able to accurately predict a range of important flow features over the two spillways investigated in this project. This shows that, this combination of multiphase model and turbulence model has the potential to provide a valuable tool for the design and inspection of stepped spillways. This study also shows that low pressures, which can potentially cause damage to both concrete and masonry spillways, may occur in both the non-aerated and aerated regions of skimming flows over stepped spillways

Design of a Test Rig for Investigations of Flow Transient

Frictional losses during unsteady flow in the waterway of power plants are a progressing science, as the hydropower market keeps evolving to a more dynamic market. In fact, the transitional region in pipe flow is a rather unknown phenomenon. The experimental data on the topic is limited and there are no analytical solutions. This study looks into the opportunity of establishing a test rig to study frictional losses in oscillating pipe flow, at the Water Power Laboratory at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). Previous work on oscillating pipe flow mainly addresses flow in U-tubes. There are only a few experimental test rigs for oscillations in horizontal pipes, which primarily generates oscillations by the use of a piston. In this thesis, a different approach applies: the shutdown of a control valve generates oscillations in a horizontal pipe between a surge shaft and a reservoir. The study is a combination of relevant measuring techniques, laboratory considerations and applicable instrumentation to design a flexible and easy operated test rig. A review of the basic theory of transient pipe flow is the first part of this thesis. The second part presents relevant pressure transducers and connections for measuring head loss in pipe flow. Followed by measuring techniques to measure local velocities: Particle Image velocimetry, Laser Doppler Anemometer and Hot-Wire Anemometer. An important part of the study was to consider the limitations and constraints in the Water Power Laboratory. A thorough review of the laboratory was therefore necessary. The final part presents the required apparatuses and devices to create the desired flow through the test section, including challenges and alternatives to solution. The results describe the flow situations that are possible to obtain in The Water Power Laboratory. Followed by descriptions of recommended apparatuses and necessary instrumentations. At last an overview of measuring techniques recommended for specific fields of interest is presented