China’s economic prosperity has led to a massive development in the hydropower sector. The Baihetan hydropower project is an ongoing construction and will become the third largest hydroelectric power plant in the world in regards to generating capacity and is projected to be finished in the year 2020.For every fault that an investment this massive has, it will lead to enormous cost and safety risks. Therefore the standards for every detail are especially high to ensure the success of its future operation. One of the risks is from the water jet impact on the downstream stilling basin that can cause erosion on the riverbed. The evaluation of this risk has previously been carried out by an experimental scaled model at the Department of Hydraulic Engineering at Tsinghua University in Beijing, China. This thesis will however evaluate the potential of exposing these risks and analyzing methods to minimize them through Computational Fluid Dynamics analysis.A Computational Fluid Dynamics model of a surface hole spillway was created in order to be compared and validated against the experimental results. The results in longitudinal direction are in good agreement with the experimental results, with an accuracy of the numerical model being 91% for the longitudinal distance and 98% for the longitudinal spread. The spread in the transverse direction was however inaccurate with a 40% accuracy in comparison to the experimental results. With a satisfying accuracy in longitudinal direction and a known error in the transverse direction, the numerical model can be used as an initial study for optimization by the implementation of a chute block.After the numerical model was validated against the experimental results, the spillway was redesigned with a chute block to compare performance compared to the original setup. With the chute block spillway, the trajectory of the water jet was angled away from the stilling basin’s center, and the longitudinal spread of the water jet at the impact with the stilling basin increased by 3 m, an increase of 34%. An average maximum dynamic pressure of 1,9 MPa was located in the center of the bulk flow. With the chute block, the pressure impact was located 2 m further away from the dam toe.The results from this thesis shows potential in usage of CFD models in order to evaluate water discharge performance and that the integration of a chute block shows promise in improving the efficiency of the spillway. However, the inaccuracies of the numerical model only make it viable to use as an initial study of design optimization and cannot replace physical scaled models. In order to make final conclusions the model must be improved further, and with tools of high capacity computational power, the model could be improved and simulate results closer to reality. / 中国经济的蓬勃发展带来了水电行业飞速的发展。当前正在建设中的白鹤滩水电站工程就发电容量而言将成为世界第三大水电站。工程预计在2020年完成。对诸如此类的大型投资来说，每一个故障都会导致巨大的经济损失和安全风险。因此对每个细部环节设立的标准都会尤其的高以保证其在未来正常的运作。其中一个风险因素来自于水流对下游消力池的冲击作用，这种冲击会导致河床的冲刷。隶属于清华大学的水利水电工程系利用比例实验模型已经对上述风险进行了评估。然而，本文将评估分析多种风险因素发生的可能性，以及从计算流体力学角度分析减少风险的方法。本文通过建立表孔溢洪道的计算流体力学模型来与试验结果比对。纵向尺度的结果和试验结果具有很高的一致性，其中数值模型纵向距离和纵向扩展的精度分别达到91%和98%。但横向扩展的结果与试验结果相比只有40%的精度。综上所述，纵向尺度的高精度和横向尺度上的小偏差证明这个数值模型可以被用于初步研究分流墩的实施优化。在利用数值模型验证试验结果之后，通过对已有的溢洪道重新设计添加一个分流墩来与原始设计相比，分析其应对性能的变化。陡槽式溢洪道的设计使得水射流的轨迹偏离消力池，并且水射流由其对消力池的影响使纵向扩展增加了3m，增加了34%。在主体流动的中心存在平均最大值为1.9MPa的水压力。因分流墩的存在，压力影响发生在离坝趾2m远的地方。本文中的结果体现了CFD模型的运用在评估水流流量性能方面的潜力。结果也显示了分流墩在提高溢洪道效率上的可行性。然而，这个数值模型的误差性使其只能被用于优化设计的初步研究，并且无法取代物理比例模型。模型需要被进一步完善以求得到最后的结论，而具有大容量计算能力的工具的使用使得模型可以被改进从而模拟出更接近实际的结果。 / Kinas ekonomiska tillväxt har bidragit till en massiv utveckling av vattenkraftsbaserad kraftproduktion. Det pågående byggnadsprojektet av vattenkraftverket Baihetan planeras att vara klart till år 2020, och när det står klart kommer det att vara världens tredje största vattenkraftverk vad gäller produktionskapacitet.För varje felaktighet i en investering av Baihetans storlek, kommer det att uppstå stora ekonomiska förluster och säkerhetsrisker. Att säkerställa kvaliteten i varje detalj är därför av extra stor vikt för att undvika förödande konsekvenser. En stor säkerhetsrisk för dammkonstruktionen är erosion av grundfundamentet nedströms av dammen som resultat av en ineffektiv vattenavledning från utskoven. Utvärderingar av denna risk har tidigare genomförts genom experiment på en nerskalad modell vid Institutionen för Hydraulik på Tsinghua Universitet i Peking, Kina. Detta projekt kommer att utvärdera möjligheten att undersöka detta riskmoment och analysera metoder för att minimera dem med hjälp av en numerisk CFD-modell.En CFD-modell för ett av Baihetans utskov har därför konstruerats i syfte att jämföras och valideras mot data från de experimentella resultaten. Resultaten från den numeriska modellen visar god överstämmelse med de experimentella resultaten i longitudinal riktning av jetstrålens nedslagspunkt, med en överenstämmelse på 91% i avståndet från dammen och på 98% i vattnets spridning. Spridningens för jetstrålens bredd är däremot inte tillräckligt noggrann med en överenstämmelse på endast 40% av de experimentella resultaten. Med en god noggrannhet i longitudinal riktning och det dokumenterade felet i transversal riktning, kan CFD-modellen användas för en första analys över effekterna av att optimera energiavledningen genom integration av ett block i utskovets utlopp.Efter valideringen av den numeriska modellen optimerades utskovets geometri med ett block vid utloppet, i syfte att öka spridningen och riktningen för jetstrålen. Det optimerade utskovet testades mot den originella designen för att utvärdera skillnaderna. Med det tillagda blocket riktades jetstrålen bort från nedströmsbassängens mitt och den longitudinella spridningen av vattnet vid nedslagspunkten ökade med 3 m, en förbättring på 34%. Ett maximalt dynamiskt tryck på 1,9 MPa för båda utskoven mättes upp i jetstrålens mitt. Med den optimerade block-designen verkade detta tryck på ett avstånd 2 m längre ifrån dammen jämfört med den originella designen.Resultaten visar potential i användningen av CFD-modeller för att utvärdera avledningen av vatten genom en damms utskov, samt att en integrering av ett block i utskovets utlopp har möjligheten att öka effektiviteten av energiavledningen. Däremot har den numeriska modellen i sin nuvarande version en noggrannhet som endast kan användas för förstudier i optimeringsarbete, och den kan inte ersätta fysiska modeller. För att CFD-modellen ska kunna användas med samma precision som en fysisk modell måste den utvecklas vidare, och med en ökad beräkningskraft har modellen möjlighet att utvecklas till att nå verklighetsmässiga resultat.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-189507 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Lönn, Jack, Dahl, Oskar |
| Publisher | KTH, Energiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0029 seconds