Inkrementell økning av flomløpskapasitet - Modellforsøk og CFD

Abstract

For mange damanlegg i Norge vil det i kommende år være nødvendig å øke flomløpskapasiteten enten som følge av økte flomstørrelser, forbedrede flomberegninger eller at opprinnelig utforming ikke leverer kapasiteten som var prosjektert. Utviding av et flomløp vil alltid gi mer kapasitet, men vil i mange tilfeller føre til komplekse og kostbare prosjekt. For mange damanlegg kan forbedret hydraulisk utforming av eksisterende flomløp bidra med inkrementelle økninger som er tilstrekkelig for å tilfredsstille nye krav.

I denne oppgaven har effekten av ledevegger for å øke flomløpskapasiteten blitt undersøkt ved hjelp av fysiske modellforsøk og numerisk modellering. Den fysiske modellen er plassert i en forsøksrenne som er 12.5 m lang, 1 m bred og 1 m høy. Modellen består av et fritt overløp med en sideliggende sperrekonstruksjon som dekker halve bredden av forsøksrenna. Sperrekonstruksjonen har et skarpt hjørne som fører til strømningsseparasjon og kontraksjonstap i flomløpet. Et overløp med en sideliggende konstruksjon med skarpt hjørne er en representativ modell for mange elvekraftverk i Norge. For å utbedre strømningsforholdene ble det testet ledevegger med forskjellige geometriske utforminger. Resultatene fra det fysiske modellforsøket viser at det er mulig å øke flomløpskapasiteten med 8 % ved å montere en ledevegg på hjørnet av sperrekonstruksjonen. Ledevegger med rett og ellipsoid utforming, med økt lengde ut i strømningsområdet, økte flomløpskapasiteten rundt 8 % for alle vannføringene som ble målt. En rund ledevegg med radius 5 cm leverte den høyeste økningen i flomløpskapasitet med 8.6 % ved den dimensjonerende overløpshøyden for overløpet, men effekten ble redusert ved økende vannføringer.

Forsøksoppsettet ble gjenskapt numerisk ved hjelp av CFD-programvaren OpenFOAM. Den numeriske modellen hadde et avvik i vannstand på 1.9-2.9 % fra den fysiske modellen. De numeriske resultatene indikerer i likhet med de fysiske resultatene at det er mulig å øke flomløpskapasiteten ved hjelp av ledevegger. Resultatene fra de numeriske simuleringene følger de samme trendene som funnet i de fysiske modellforsøkene.

For many dam facilities in Norway, it will be necessary to increase the spillway capacity in the coming years either due to increased flood sizes, improved flood calculations, or because the original design does not deliver the capacity that was designed. Expanding a spillway will always provide more capacity but often leads to complex and costly projects. For many dam facilities, improved hydraulic design of existing spillways can contribute incremental increases that are sufficient to meet new requirements.

In this study, the effect of guide walls to increase spillway capacity has been investigated using physical model experiments and numerical modeling. The physical model is placed in a flume that is 12.5 m long, 1 m wide, and 1 m high. The model consists of a ogee weir with an adjacent blockage covering half the width of the flume. The blockage has a sharp corner that results in flow separation and contraction loss in the spillway. An ogee weir with an adjacent construction with a sharp corner is a representative model for many dam facilities in Norway. To improve flow conditions, guide walls with different geometric configurations were tested. The results from the physical model experiment show that it is possible to increase the spillway capacity by 8 % by installing a guide wall at the corner of the blockage. Guide walls with straight and ellipsoidal designs, with increased length into the flow, increased the spillway capacity by around 8 % for all measured flow rates. A round guide wall with a radius of 5 cm delivered the highest increase in spillway capacity with 8.6 % at the design head, but the effect was reduced with increasing flow rates.

The experimental setup was replicated numerically using the CFD software OpenFOAM. The numerical model had a deviation in water level of 1.9-2.9 % compared to the physical model. The numerical results, similar to the physical results, indicate that it is possible to increase the flood discharge capacity using guide walls. The results from the numerical simulations follow the same trends as those found in the physical model experiments.