Numerical study of particle settlement in a sand trap with multiple flow calming structures

Abstract

Et tradisjonelt sandfang i et vannkraftverk reduserer strømningshastigheten slik at sedimenter som transporteres kan skilles ut fra vannet. For å minimere turbinerosjon forårsaket av partikler er det nødvendig å optimere sedimentavsetningen i sandfanget, noe som gir interesse for videre forskning på strukturer og ribber. Det har tidligere blitt utført forskning av partikkelavsetning i relasjon med vannkraft, men et sandfang med optimal avsetning er enda ikke etablert. Denne studien har som mål å undersøke strømnings-og partikkelatferd når sandfanget har installerte strukturer og ribber, noe som gir bedre forståelse av partikkelavsettelse nedstrøms disse objektene. Forenklede modeller av sandfang er utviklet, og inneholder både én og flere sylindre av ulike geometrier, som representerer strukturene. Modellene er diskretisert og verifisert før de numeriske simuleringene er utført. Strømningene er simulert for en transient tilstand ved bruk av Reynolds-averaged Navier-Stokes turbulensmodeller for å løse ligningene.

Resultatene viser at partiklene, og dermed de mindre og suspenderte sedimentene i et vannkraftverk, følger strømningsmønsteret tett. I tillegg påvirkes partiklene av gravitasjonskrefter og treghetskrefter fra strømnignen. I tilfellet med én struktur viste resultatene at modellen med en sirkulær sylinder bidrar mest til økt partikkelavsetning, på grunn av bedre opphopning av partikler under ribbene. I tilfellet med flere strukturer viste resultatene at kvadratiske sylindre er bedre egnet, basert på et jevnere strømningsmønster. Færre hastighetssvingninger bidrar til at partiklene følger strømningslinjene til vannet mer kontinuerlig, noe som gjør et jevnere strømningsmønster gunstigere for partikkelavsetning.

A traditional sand trap within a hydropower plant reduces flow velocity, enabling transported sediments to separate from the water. Optimizing sediment deposition is crucial to minimize turbine erosion caused by particles, making the research of flow calming structures and ribs interesting. Previous research has studied particle behavior concerning hydropower, although achieving a definitive optimization for a sand trap remains to be established. The study aims to investigate flow and sand particle behavior upon impact with flow calming structures and ribs to comprehend particle behavior better downstream of these objects. Simplified sand trap models were developed, containing single and multiple cylinders of varied geometries representing flow calming structures. The models were discretized and verified before progressing to performing the numerical simulations. The flows were simulated for a transient state, using Reynolds-averaged Navier-Stokes turbulence models to solve the equations.

The results demonstrate that the particles, hence smaller and suspended sediments in a hydropower plant, closely follow the flow pattern. Additionally, the particle behavior is affected by gravitational forces and the flow's inertial forces. In the case of a single flow calming structure, the model containing a circular cylinder proved to contribute to particle settlement due to more particles entering the ribs upstream of the outlet. For the case of multiple flow calming structures, the model containing square cylinders proved advantageous, based on a smoother pattern being more beneficial. Fewer velocity fluctuations allow particles to have trajectories following the streamlines constantly.