Design of Ribs in Closed Sandtraps

Abstract

De gjeldende retningslinjene for design av lukkede sandfang er basert på fysiske modellforsøk gjennomført i vassdragslaboratoriet på 1960-tallet, der resultatene av modellforsøkene ikke kan oppdrives, bare konklusjonene. Denne masteroppgaven ble gjennomført for å verifisere de tidligere funnene. I denne masteroppgaven ble 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) brukt til å undersøke to forskjellige variabler i ribbedesign for lukkede sandfang, og hvordan disse påvirker fangsteffektiviteten. Geometrien av CFD-modellen er basert på sandfang no. 3 i Tonstad vannkraftverk, 960 MW, og resultater fra et fysisk modellforsøk har blitt brukt til å kalibrere og sammenligne den numeriske simuleringsmodellen. Flere endringer av prototypgeometrien er gjennomført for å unngå case-spesifikke effekter på løsningen, og for å gjøre resultatene mer generelt gyldige. Teori om sediment-transport og design av lukkede sandfang med ribber er presentert. Teori om CFD er presentert sammen i metodekapittelet der den numeriske tilnærmingen er beskrevet. For kalibreringen og valideringen, ble stasjonære Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) -simuleringer gjennomført med to forskjellige vannføringer for å teste validiteten til CFD-modellen. Hastigheten rundt ribbene i CFD-modellen ble sammenlignet med hastigheten målt ved hjelp av Particle Image Velocimetry (PIV) -eksperimenter fra den fysiske skalamodellen, henholdsvis i prototyp- og modellskala. Sammenligningen viste god overensstemmelse mellom CFD-modellen og den fysiske modellen. Ikke-stasjonære RANS-simuleringer med sedimenter ble gjennomført for å undersøke hvordan ribbedesignet påvirker fangsteffektiviteten for to ulike variabler. Den første variabelen er ribbebredden, der bredden av ribben er lik åpningen mellom ribbene. Den andre variabelen er åpningen mellom ribbene, der ribbebredden holdes lik på 1.0 m. Totalt 20 simuleringer med injeksjon av partikler med 0.1 mm diameter ble kjørt. Tre forskjellige hypoteser ble testet: 1) Det er mulig å forbedre ribbedesignet for lukkede sandfang sammenlignet med nåværende designanbefalinger, 2) Den optimale avstanden mellom ribbene er 0.5 m, 3) Den optimale bredden på hver ribbe er 1.0 m. Simuleringene viste at det ikke var mulig å forbedre designet med variablene som ble testet i denne oppgaven. For hypotese no. 2 viste resultatene fra simuleringene at den optimale avstanden mellom ribbene var 1 m. Simuleringene avslørte at fangsteffektiviteten var høyere for simuleringene der ribbebredden var fastsatt til 1 m, sammenlignet med simuleringene der ribbebredden varierte. Det er ikke mulig å konkludere med en optimal ribbebredde ettersom at det ble gjennomført få simuleringer i området nært 1.0 m. Resultatene viser at det optimale designet er 1 m brede ribber med 1 m åpning mellom ribbene, som bekrefter tidligere litteratur på lukkede sandfang.

The current state-of-the-art guidelines to closed sandtraps are based on physical model studies performed in the hydraulic laboratory in the 1960s, where the model test results cannot be found, only the conclusions. This master thesis was conducted to verify the previous findings. In this master thesis, 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to investigate two different variables in rib design for closed sandtraps, and how these affect the trap efficiency. The geometry of the CFD model is based on sandtrap no. 3 in the 960 MW Tonstad hydropower plant, and results from a physical model test have been used to calibrate and compare the numerical simulation model. Several changes to the prototype geometry are done to avoid case-specific effects on the solution, to make the results more generally valid. Theory on sediment transport and design of closed sandtraps with ribs is presented. Theory for CFD is presented together in the methodology chapter where the numerical approach is described. For the calibration and validation, steady-state Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations were conducted with two different discharges to test the validity of the CFD model. The velocity around the ribs in the CFD model was compared to the velocity measured from Particle Image Velocimetry (PIV) experiments from the physical scale model, in prototype and model scale, respectively. The comparison showed good correlation between the CFD model and the physical model. Transient RANS simulations with sediments were carried out to investigate how the rib design affect the trap efficiency for two different variables. The first variable is the rib width, where the width is equal to the opening between the ribs. The second variable is the opening between ribs, where the rib width is fixed at 1.0 m. A total of 20 simulations were run with 0.1 mm particles injected. Three different hypotheses were tested: 1) It is possible to further improve the rib design for closed sandtraps compared to current design recommendations, 2) The optimum distance between the ribs is 0.5 m, and 3) The optimum width of each rib is 1.0 m. The simulations showed that with the variables tested in this thesis, the rib design could not be improved. For hypothesis 2, the results from the simulations showed that the optimal distance between the ribs was 1 m. The simulations revealed that the trap efficiency was higher for simulations where the rib width was fixed at 1 m, compared to the simulations where the width varied. However, owing to the limited number of simulations run in proximity to 1.0 m, the optimal width could not be concluded. The results showed that the optimal design is 1 m wide ribs with 1 m opening between the ribs, confirming previous literature on closed sandtraps.