CFD model simulations for the purpose of optimizing secondary intakes: Application of 3D CFD for intakes, optimization of an existing intake structure

Abstract

Secondary intakes, also known as brook intakes, are crucial for hydropower schemes in alpine regions with steep hills and a high number of tributaries. Brook intakes are normally a minor part of the total inflow and combined with remote location many brook intakes are left without monitoring or mainte-nance. Increased focus on loss of water due to rising energy prices now initiates more focus on the per-formance of the brook intakes. With hundreds of brook intakes in the Norwegian hydropower system, one of the most common types is chosen for further survey; the Tyrolian weir. CFD modelling of brook intakes are rare due to lack of geometric data and cost of modelling. This project is testing two different types of software to see how modelling can be done in a cost-effective way with scarce input data, and still have sufficient accuracy. Both ANSYS (commercial) and OpenFoam (freeware) are used independently in the project. The geometry is modelled from drone scanning and frow drawings from the construction period. Photos and other observations are used for extra quality control. From the model both capacity parameters and flow pattern are calculated. For capacity the Cd factor is calculated and compared with literature. Simulated flow patterns through the screen are compared with known reference curves from detailed model studies and observations from full scale. This study is rec-ognized as the first study for Tyrolian weirs with rectangular bars (flat steel) in the rack. Former studies are done with tubes or T-shaped bars. Both users of ANSYS Fluent and OpenFoam are experienced users of the software, from the research perspective, and their skills are fully comparable. It is found that both the ANSYS Fluent and OpenFoam software gives the same accurate results from the same group of input data. OpenFoam allows a much quicker way through the geometric modelling, where different parts of the model can be separated, and challenges may be overcome more easily. Considering the total simulation times for domains containing approximately the same number of elements and in the simulations with the same parallel computation, modeling with OpenFoam yielded approximately 11% faster results. Other preferences may influence the choice between the models. It is concluded that the total time consumption for an experienced user is roughly three weeks; one week for modelling, one week for corrections, simulation and experiments and the final week for interpreta-tion and reporting. Of course, with great variation from site to site. In this study, the time spent with the listed procedure was 72 hours and 26 hours, respectively, with ANSYS Fluent and OpenFoam CFD soft-ware for a total simulation time of 300 s and 120 s for the domain containing approximately the same number of elements. It is found that the procedure for modelling will be useful for evaluating the per-formance of brook intakes where water loss is suspected. Further improvements and reduced time con-sumption will possibly be achieved when modelling a larger number of intakes.

Bekkeinntak er ein viktig del av eit vannkraftsystem i område med alpin karakter som bratte dalsider, små nedbørsfelt og store trykkhøgder. Bekkeinntak kan gje frå ein liten del (eitt inntak) til ein monaleg del (T.d. Ulla Førre og Svartisen) av den totale avrenninga. Inntaka ligg ofte langt unna kraftstasjonen utan atkomst og overvaking. Høge straumprisar har ført til ekstra fokus på funksjon av bekkeinntak og mulig tap av vatn. I Noreg er det bygd hundrevis av bekkeinntak og den mest vanlege typen er Tyroler-inntak, som også er eksempel i dette studiet. Computational Fluid Modelling - CFD er ikkje vanleg for bekkeinntak på grunn av manglande geometriske data og kostnaden med å utføre ei slik berekning. Dette prosjektet har testa to ulike programvare for å sjå korleis modellering kan gjennomførast kostnadseffektiv sjølv med avgreinsa bakgrunnsdata, og fram-leis få tilstrekkeleg nøyaktighet. Det kommersielle ANSYS og gratisprogrammet OpenFoam er brukt til uavhengig modellering. Geometrien er trekt ut frå drone-scanning og frå konstruksjonsteikningar frå byggetida. Foto og andre observasjonar har blitt brukt for kvalitetskontroll. Med CFD-modellen er bade vanlege kapasitets-parametrar og strøymingsmønster berekna. Cd-faktoren er brukt for kapasitet og den er også samanlikna med anna litteratur. Simulerte strøymingsmønster gjen-nom rista er samanlikna med nokon kjente referansar med modellstudier og full-skala studier. Dette stu-diet er så vidt kjent det første studiet der simuleringane er gjennomført med flatt-stål som riststavar. Alle tidlegare refererte studier er gjennomført med T-profil. Begge brukarane av programvara ANSYS og OpenFoam kan reknast som ‘erfarne brukarar’, ut ifrå eit forskarperspektiv. Dei vart vurdert til å ha like forutsetningar. Både ANSYS og OpenFoam gjev same nøy-aktighet med elles like inngangsdata. OpenFoam gjev rom ei mykje raskare prosedyre for modellering med dårlege geometridata, sidan kvar del kan skiljast lettare frå dei andre. På den måten sorterast pro-blem og feil ut mykje lettare. Berekningshastigheten, dvs. simuleringstida er i gjennomsnitt 11% lågare på Open Foam enn på ANSYS, med elles like data og same tal på element. Personlege ønskje for val av modell kan vektleggast, men det er ikkje gjort her. Det er konkludert med at totalt tidsforbruk for ein erfaren brukar vil vere om lag tri veker, Ei veke mo-dellering, ei veke med prøvekøyring, korreksjonar, simulering og eksperimentering og den siste veka for tolking og rapportering. Det vil sjølvsagt vere variasjonar frå stad til stad. Det vart gjort forsøk og funnen ei arbeidstid på 72 timar og 26 timar med ANSYS og OpenFoam, respektive. Total simuleringstid var fun-nen til 300s og 120 s, respektive, med same tal på element i modellen. Med slik modellering er det fullt mulig å finne kapasitet til eit bekkeinntak, og det vil vere til hjelp der du har mistanke om tap av vatn. Sidan dette var eit første forsøk og utvikling av ei prosedyre, er det sannsynleg at tidsbruken vil gå ned når fleire inntak skal modellerast.