Energy efficient fish attraction

Fish migration past a hydro power plant (HPP) requires not only flow in the actual fish passage (e.g. fish ladder) but also sufficient water to attract the fish to the entrance. Such attraction water is typically created by spilling water of the order of 10 m3/s, and there are potential savings if the amount of water can be reduced without loss of functionality. The possibility to use ejectors (jet pumps) to pump water from the area downstream of the HPP into the fish passage has been investigated with physical model tests and numerical modelling (CFD). The ambition has been to make use of fairly simple geometries without changing the layout of the suggested fish ladder, and a solution in which the ejectors are located in a separate channel parallel to the fish ladder has been evaluated. The results show that the required spill can be reduced to 1/3 despite the low head (7 m) of the considered HPP, and the savings will be even larger in HPPs with higher head. More energy efficient ways to attract fish can be obtained if the jets are positioned within the actual fish way, but a prerequisite for such solution is that the fish is not intimidated by the jets. Another interesting option to evaluate is the possibility to guide the fish to the fish ladder entrance by an array of individual jets positioned in the river. To investigate these ideas tests with live fish are scheduled during second half of 2018

Laxens nedströmsvandring mot fiskavledare till Stornorrfors fisktrappa i Umeälvens nedre del

Rapporten sammanfattar våra arbeten med målsättning att skapa en fungerande fiskavledning för nedströmsvandrande fisk i vid Stornorrfors kraftverkskomplex i Umeälven. Rapporten visar även på verksamheter som nyttjats vid planering och utvärdering av gjorda åtgärder. Åtgärder i fisktrappan, fiskavledare och utrustning för registrering av PIT-tags har möjliggjorts genom finansiering av Europeiska Fiskefonden, Havs- och Vattenmyndigheten, Umeå kommun, Vattenfall och SLU. Arbetena har genomförts som två pilotprojekt (3b Nedströmsvandring Stornorrfors 2009-2010 och 3b2 Nedströmsvandring Stornorrfors 2011-2013). Vilda lax- och öring bestånd i våra älvar är viktiga naturresurser för människan och ekosystemet. Vindelälvens naturliga fiskproduktion av lax- och havsöring ungar är betydande för Östersjöns laxbestånd. De senaste åren har mer än 10 000 lax årligen vandrat uppströms för lek i älven. Många föräldrafiskar (Kelt, vraklax, besa, mm) överlever leken och vill vandra tillbaka till havet. Laxens naturliga avkomma, smolten, strävar också att ta sig till födoområdena i Östersjön. I flödesreglerade vattendrag som Umeälven med sitt unika laxbestånd i biflödet Vindelälven finns problem med dödlighet då kelt och smolt på sin nedströmsvandring ska passera Stornorrfors kraftverk. I Umeälvens nedre del färdigställdes en ny fisktrappa i Norrfors 2010 som utrustats med en ”fiskavledare”. Projektets mål var att bygga och ansluta fiskavledaren till nya fisktrappan och utvärdera dess funktion/effektivitet. Det mätbara målet för den planerade anläggningen vid Stornorrfors utskovsdamm sattes till att 75 % av den utvandrande vilda smolten och minst 50 % av den övervintrande kelten skulle avledas till nya fisktrappan för vidare vandring till havet. Detta mål kunde inte uppnås. Den nya fisktrappan skulle alltså fungera som ett klassiskt "omlöp" förbi kraftverket. Vild smolt har märkts med Passiva Integrerade Transpondrar (PIT) eller aktiva Radiomärken (RT) och senare skannats vid passage i fisktrappsområdet (PIT + RT-märkt fisk) eller vid intaget till Stornorrfors kraftverk (RT-märkt fisk). SLU’s utvärdering av ledarmens funktion och fiskens vandring nedströms har visat att fiskavledarens funktion varit mycket svår att kontrollera då ledarmen inte fungerat som tänkt i den tuffa strömmiljön ovan fisktrappans område mellan 2010-2012. Avledningseffektiviteten kunde med visst förtroende endast värderas vid 2013 års försök med PIT-märkt fisk (n=1749 fiskar) som släpptes dagligen efter fångst i Vindelälven (INDEX Spöland) när flödet var < 800 m3/s i älven. Den totala avledningseffektiviteten visade sig vara 4,5 %. Begränsande för utvärderingen har varit att stora grupper smolt periodvis inte kunnat fångas och märkas på grund av höga flöden i Vindelälven. Effektiviteten i ledarmen har varierat mellan 0 och 100 % under säsongen. Väldigt få Kelt av lax kunde avledas. Höga turbinflöden tycks haft en positiv inverkan på ledarmens funktion. Smoltens passage nedströms i och genom fisktrappan verkar fungera utan större problem. Via PIT-märkt fisk och videofilmning i flera delförsök kunde vi visa på en lyckad genomfart där laxsmolten passerar fisktrappan inom några timmar till 2-3 dagar. Flödesmätning och modellering av strömningen runt fiskavledarens område mot ingången till nya fisktrappan visar att ledarmen borde ökas till ca 150 meters längd istället för dagens 110 meter. Flödesmodelleringar visar då att en större del av ytströmmen kan styras in mot fisktrappans ingång. Försöken med fångst, märkning, utsättning och återfångst har fungerat bra och PIT-märkningstekniken bedöms överlägsen andra märktekniker för detektering av fisk om detekteringsutrustning installerats. Detta kan utvecklas vidare inom ramen för indexälvsverksamheten (ICES-DCF) som nu bedrivs i Vindelälven. Sverige bör fortsätta att ta ansvar för den här typen av utveckling då det finns samordningsvinster mellan indexvattendrag, fiskavledning och utvärdering av fisktrappan för lekvandrande fisk. Lyckas man avleda den naturligt producerade avkomman av lax och öring i reglerade vattendrag med unika bestånd finns mycket att vinna för att etablera långsiktigt hållbara bestånd av vandringsfisk. Den typ av fiskavledare som nu prövats har tidigare inte prövats i Europa varför detta pilotprojekt är unikt. Arbetet som nu avslutats har varit ett samverkansprojekt mellan Europeiska Fiskerifonden, Havs- och Vattenmyndigheten, vattenkraftsägare, lokala och nationella fiskeriadministratörer samt forskare i fiskbiologi och hydraulik

Internal erosion in embankment dams : fluid flow through and deformation of porous media

A basic understanding of fluid flow through a porous media facilitates a comprehensive understanding of internal erosion in embankment dams. Hence, it is necessary to reveal the detailed seepage flow, the flow-induced forces acting within the porous media and the fluid flow deformation of the porous media. In order to increase the knowledge of the fluid flow a Computational Fluid Dynamics approach is applied to investigate different flow regimes. The regimes ranges from creeping flow, where a Darcy law formulation is sufficient, via an inertia dominated region, where a non-linear term must be added to the Darcy's law such as the Ergun equation, to the turbulent region, where the full Navier-Stokes equations must be solved including a Reynolds decomposition. Since it is not obvious when these transitions takes place the CFD-simulations are used to calculate the apparent permeability, the Blake-type friction factor and the normal and shear forces for a variety of model geometries. This includes quadratic and hexagonal packing of cylinders as well as spheres. One result is that the Reynolds number, where inertia-effects become significant, varies with the packing and the porosity. For a quadratic arrangement of cylinders this occurs around a Reynolds number about 10 while for a hexagonal arrangement it takes place between 30 and 50 depending on the porosity. Another result is that for quadratic arrangement the turbulent set-up at high Reynolds number gives higher forces than a corresponding laminar set-up regardless of the porosity. For hexagonal packing a turbulent set-up can, however, give lower forces. These ranges, regarding the Reynolds number, have been utilized in order to develop an expression for theoretical limits of the effective diameter and the applied pressure gradient to be applied when designing down-scaled geotechnical experimental setups. Regarding the deformation of the porous media there are several methods that has the potential to model the internal erosion process. One way is a mesh deformation approach where the normal and shear forces acting on the particles generate the motion. This methodology requires that the computational mesh is upgraded in every time-step resulting in rather computational heavy simulations. Another way is to combine CFDsimulations of flow in the vicinity of single particles with Monte-Carlo simulations of a system of a large number of particles by using the fact that the distribution of the stream function follows the known principle of minimal dissipation rate of energy. Main result is that the more compact the system is the larger is the possible relative change of permeability by applying a high flow rate. When applying this technique on a classical geotechnical experimental setup, the No Erosion Filter test, results indicate that the developed model captures the main characteristics of the sought particle transportation, both for a sealing as well as a non-sealing design of the filter and fine combination.För en övergripande förståelse av inre erosion i fyllnadsdammar är det viktigt att få en grundläggande förståelse av villkoren för flöde genom porösa material. Därför är det nödvändigt att belysa de detaljerade flödesförhållandena, flödesinducerade krafter som verkar inom porösa material och flödesinducerad deformering av porösa material. För att öka kunskapen om dessa flöden är "Computational Fluid Dynamics" -simuleringar ett lämpligt tillvägagångssätt att använda för att undersöka olika flöden. Dessa villkor ger upphov till olika flödesregimer allt från krypande flöde, där en formulering baserad på Darcy's lag är tillräcklig, via en region dominerad av tröghetseffekter, där en icke-linjär term måste läggas till Darcy's lag såsom är fallet i Ergun's ekvation, till den turbulenta regionen, där de fullständiga Navier - Stokes ekvationer måste lösas. Men när dessa övergångar sker är inte uppenbart, därav användandet utav CFD-simuleringar för att beräkna den skenbara permeabilitet, en friktion faktor av Blake-typ och de normala och skjuvkrafter för olika modellgeometrier. Detta inkluderar kvadratiska och hexagonala packningar av cylindrar samt sfärer. Ett resultat är att Reynoldstalet där tröghetseffekterna blir betydande, varierar med packning och porositet. För en kvadratisk packning av cylindrar inträffar detta runt ett Reynolds tal omkring 10 medan för en hexagonal packning äger den rum mellan 30 och 50 beroende på porositet. Ett annat resultat är att för kvadratisk packning med turbulenta inställningar genereras högre krafter vid höga Reynolds tal än en motsvarande laminär inställning och detta sker oavsett porositet. För hexagonal packning kan en turbulent inställning ge lägre krafter. Dessa flödesregimer har använts för att fastställa ett matematiskt uttryck för de teoretiska gränserna gällande den effektiva diametern och lämplig tryckgradient för design utav nedskalade geotekniska experiment.När det gäller deformering utav ett poröst material finns flera metoder som har potential att modellera den inre erosions processen. Ett sätt är en nätdeformationsmetod där normal och skjuvkrafter som verkar på partiklarna genererar rörelse utav det porösa materialet. Denna metod kräver att beräkningsnätet uppdateras i varje tidssteg vilket genererar ganska beräkningsintensiva simuleringar. Ett annat tillvägagångssätt är att kombinera CFD-simuleringar utav flödet i närheten av enstaka partiklar med Monte Carlosimuleringar på ett större system med partiklar. De beräknade parametrarna kombineras på det större systemet där minimering utav dissipationen ger oss ett linjärt ekvationssystem med avseende på strömfunktionen. Från strömfunktionen beräknas fördelningen av krafter på strukturen som ger upphov till en omfördelning av partiklarna, detta för att kunna förutse förändringar i permeabiliteten hos det stora systemet av partiklar. Huvudresultatet är att ju mer kompakt systemet är desto större är den möjliga relativa förändringen utav permeabilitet genom att tillämpa ett högt flöde. Om man tillämpar denna teknik på ett klassisk geotekniskt experiment, No Erosion Filter test, så indikerar resultaten att metoden beskriver huvuddragen vad gäller transport utav partiklar i ett poröst material bestående utav en zon med fint material som kopplar till en filter zon.Godkänd; 2009; 20091019 (gunhel); DISPUTATION Ämnesområde: Strömningslära/Fluid Mechanics Opponent: PhD/Associate Professor Thanasis D. Papathanasiou, University of Thessaly, Grekland Ordförande: Professor Staffan Lundström, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 20 november 2009, kl 09.00 Plats: E 243, Luleå tekniska universitet</p

Redesign of an existing hydropower draft tube

Rehabilitation and modernisation of old constructions are important for a contemporary energy market. Among the renewable energy sources, hydropower has an eminent potential for further improvements since a great number of the hydropower plants are ageing and are as well often run at off-design conditions. An important part of a hydropower plant (low and medium headed) is the hydraulic turbine draft tube that contributes to a large portion of the hydraulic losses. The purpose of the draft tube, often being a curved diffuser connecting the runner to the outlet, is to recover kinetic energy and thus creating an artificial head. Traditionally the design has been based on model tests and simplified analytic methods. Today and in the future Computational Fluid Dynamics (CFD) in combination with computer optimization will be used more frequently as a design tool. The numerical prediction of the flow field in the draft tube is however challenging, caused by its complex flow features e.g. unsteadiness, swirl, separation etc. Therefore several numerical difficulties have to be solved before it can be applied routinely in product development. One of the key issues in this context is the turbulence modelling. Here the flow field is analyzed and validated with previously performed measurements on two draft tube geometries, a sharp-heel draft tube and a modification of it (where the sharp heel is smoothed). Both steady and unsteady simulations are performed, with the standard k-epsilon turbulence model as well as the SST turbulence model. The focus is set on the alteration in the pressure recovery factor and the overall flow field as a function of the shape of the draft tube and the implemented turbulence model. The steady and unsteady CFD simulations performed with the standard k- epsilon turbulence model yield about the same result. To exemplify, the difference in the pressure recovery factor between these simulations is much less than 0.001%. The main difference is that the unsteady simulation required less CPU-time as compared to the steady ones. The improvement in the pressure recovery between the original and the modified geometry is also small, about 0.006%. This can be compared to the experiments where the efficiency of the system improved with about 0.5%, indicating that the pressure recovery, as defined, should increase even more. The CFD simulations with the SST turbulence model did not converge in a proper manner although several attempts were made to improve the convergence. The reasons to this can be found in the applied inlet boundary conditions, the generated grids and/or in the location of the outlet boundary.Validerat; 20101217 (root

Flöde genom poröost material vid varierande Reynolds tal

Godkänd; 2007; 20070905 (ysko

Flow induced forces in porous media with application to internal erosion

For a comprehensive understanding of internal erosion in embankment dams it is necessary to elucidate the detailed seepage flow. A neat tool that can be used for this purpose is Computational Fluid Dynamics in which forces on individual particles in a porous media can be derived. The model geometry chosen to represent the porous media is a hexagonal array of spheres into which smaller particles are introduced which are supposed to move at a certain level of flow induced forces. It is shown that the mesh deformation method introduced has a potential to model internal erosion.Godkänd; 2008; Bibliografisk uppgift: CD-ROM; 20080828 (ysko

A numerical study of the flow near smolt guidance devices for increased fish migration

Godkänd; 2012; 20121030 (andbra

Numeriska strömningsberäkningar av smoltavledare för förbättrad fiskvandring

Godkänd; 2011; 20111010 (ysko

Numeriska strömningsberäkningar av smoltavledare för förbättrad fiskvandring

Godkänd; 2011; 20111010 (ysko