Influencing fish migration by creating and altering vortices in turbulent flow
Abstract
Idag er det for mye fisk som havner i inntakene på vannkraftverk, og fiskedødeligheten bør reduseres. FishPath-prosjektet ønsker å veilede fisk som migrer nedstrøms ved hjelp av turbulent strømning. For å få til det, må forståelsen for hvordan fisker reagerer på spesifikke hydrodynamiske egenskaper økes. Denne tesen har prøvd å skape, samt beskrive spesifikke hydrodynamiske egenskaper i turbulente strømninger. Det har blitt gjort et literaturstudie på spesifikk turbulent strømning som skapes av tre forskjellige former utsatt for vann. Disse er en kort sylinder med D-formed tverrsnitt (D-sylinder), en kort sylinder med et trekantet tverrsnitt (spyd), samt en deltarampe virvelgenerator. Det har også blitt utført et eksperiment av typen partikkel bilde velosimetri (PIV), for å undersøke strømningen bak spydet. Dette eksperimentet skal fungere som oppstarten for flere av disse type målinger, men også for å sammenligne vaken bak spydet med numerisk fluiddynamikk-simuleringer (CFD) gjort på samme type strømning utført av SINTEF.
Literaturstudiet konkluderer med at spydet will mest sannsynlig lage en litt bredere vake og ha større sirkulasjon enn D-sylinderen. De har en høyde over diameter ratio på mellom en og to, som indikerer sterke tredimensjonale effekter, noe som vil gjøre det svært vanskelig å anslå hvordan strømningen vil bli seende ut. Deltarampen vil kunne lage strømvise virvler, men vil raskt miste sirkuleringen, derfor er en deltavinge som er fylt med masse under foreslått som et alternativ. Målingene av spydet viser overgangen mellom resirkuleringssonen og vaken lenger nedstrøms. Resirkuleringssonen er påvirket av to symmetriske sirkulerende arealer med tydelig bakoverstrømning som er separert av et lite område med strømning nedstrøms. De strømvise hastighetsprofilene flater ut drastisk etter resirkuleringssonen. Dette avviker fra en idealisert to-dimensjonal strømning, noe som indikerer en sterk påvrikning av tre dimensjonale effekter indusert på toppen av spydet. Simuleringene viser en lignende resirkuleringsstruktur, men overgangen mellom denne sonen og vaken lengre nedstrøms er mindre drastisk, og de strømvise hastighetsprofilene avviker kraftig fra PIV-målingene i nedstrøms del av domenet. Resultatet vil sannsynligvis være sensitiv til den vertikale plasseringen av målingsplanet grunnet betraktelige tre-dimensjonale effekter i dette området, slik at et lite avvik i plasseringen mellom simuleringen og målingene kan være grunnen til at resultatene er forskjellig. Fish entering hydropower intakes today is too high, and fish mortality should be reduced. The FishPath project seeks to guide fish migrating downstream rivers away from intakes by turbulent flow. To enable this, more knowledge is needed about how specific hydrodynamic properties relate to migrating fish. This thesis aims to create and describe different types of hydrodynamic properties in turbulent flow. A literature review has been carried out on how specific turbulent flow is triggered by three different shapes exposed to water flow, namely a short cylinder with a D-shaped cross section (D-cylinder), a short cylinder with a triangular cross section (spear) and a delta ramp vortex generator. An experimental campaign using particle image velocimetry (PIV), to study the flow behind the spear has also been conducted. This experiment serves as a start-up for more measurements to come, as well as a basis for comparison with computational fluid dynamics (CFD) simulations by SINTEF of the same type of flows.
The literature review concludes that the spear will most likely create a slightly wider wake with more circulation than the D-cylinder. They have a height to diameter ratio of between one and two, and the three dimensional effects will dominate, making it very difficult to predict the flow due to its complexity and Reynolds number-dependency. The delta ramp will create streamwise vortices, but will likely lose its vorticity fast, so a filled delta wing vortex generator is suggested as an alternative. The PIV measurements of the spear shows the transition between the recirculation zone and the wake further downstream. The recirculation zone is dominated by two symmetrical circulating areas with substantial backflow separated by a small region of downstream flow. The streamwise velocity profiles flatten drastically after the recirculation zone. This flow deviates from a idealistic two dimensional flow, which indicates a strong effect from the three-dimensional flow induced at the top of the spear which influences the flow at the measurement plane. The simulations show a similar recirculating structure, but the transition from the recirculation area is less drastic, and the streamwise velocity profiles deviate highly from the PIV at the downstream part of the field of view. The result will likely be highly sensitive to the vertical placement of the measurement planes due to considerable three-dimensional effects in this area, and a small deviation of the placement between the simulations and the experiment could be the reason.