Przykłady modelowania numerycznego warunków hydraulicznych przepływu wody w przepławkach ryglowych i dwufunkcyjnych

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Przykłady modelowania numerycznego warunków hydraulicznych przepływu wody w przepławkach ryglowych i dwufunkcyjnych Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 29 31 marca 2012 Maciej Wyrębek

Plan prezentacji 1. Przepławka ryglowa 1.1. Pomiary laboratoryjne przepławki ryglowej 1.2. Warunki modelowania numerycznego 1.3. Kalibracja modelu numerycznego przepławki ryglowej 1.4. Wyniki modelowania przepławki ryglowej 2. Przepławka dwufunkcyjna 2.1. Pomiary laboratoryjne przepławki dwufunkcyjnej 2.2. Warunki modelowania numerycznego 2.3. Kalibracja modelu numerycznego przepławki dwufunkcyjnej 2.4. Wyniki modelowania przepławki dwufunkcyjnej 3. Przykład modelowania przepławki ryglowej pracującej w układzie z jazem powłokowym i małą elektrownią wodną

Przepławka ryglowa Rys. Schemat przepławki ryglowej wg Wiśniewolskiego

Pomiary laboratoryjne Warianty przysłonięcia powierzchni przekroju poprzecznego 50 % zasłonięcie powierzchni przekroju poprzecznego ADV

Przepławka ryglowa Fot. Model przepławki ryglowej Laboratorium KIWIG

Pomiary laboratoryjne - przepławka ryglowa Długość basenu: L = 50 cm Szerokość basenu: B = 48.5 cm a) wersja W1 b=const Powierzchnia przekroju aktywnego: F1 = 25 % F2 = 31 % F3 = 37 % wersja W2 F=const W2.1 b = 12 cm W2.2 b = 8 cm W2.3 b = 5 cm b) Spadki dna przepławki: I1 = 8.3 I2 = 16.7 I3 = 26.7 Rys. Schemat przepławki ryglowej z zaznaczonymi pionami pomiarowymi a) przekrój przez rygiel, b) widok z góry

Pomiary laboratoryjne - przepławka ryglowa Szerokość basenu: B = 48.5 cm Szerokość szczeliny głównej: b = 12 cm Szerokość pozostałych szczelin: b1, b2, b3 = 1 cm wersja W3 woda przelewająca się ponad ryglami zmienna długość basenów a) b) Rys. Zróżnicowane warunki przepływu w przepławce: a) plunging flow, b) streaming flow Rys. Schemat przepławki ryglowej z zaznaczonymi pionami pomiarowymi: a) przekrój przez rygiel, b) widok z góry

Przepławka ryglowa wyniki pomiarów wersja W1 Rys. Rozkład prędkości: a) widok izometryczny, b) widok z góry, c) widok z boku, zielony pion R, czerwony pion B1, różowy pion B4

Przepławka ryglowa wyniki pomiarów wersja W3 Rys. Profile prędkości: Q = 156 m3/h

Przepławka ryglowa wyniki pomiarów Q = 156 m3/h h = 3 cm Rys. Przestrzenny rozkład prędkości

Warunki modelowania Podobieństwo sił ciężkości kryterium Froude a Dwa układy podobne geometrycznie i kinematycznie, w których dominującą siłą jest siła ciążenia są podobnie również dynamicznie, gdy liczba Froude a jest jednakowa dla układu modelowego i naturalnego. v prędkość [m/s] g przyspieszenie ziemskie [m/s2] h napełnienie [m] Wielkości dotyczące modelu oznaczono symbolem: v, g, h, natomiast dotyczące układu w naturze takim samym symbolem z kreską: v, g, h.

Przepławka ryglowa warunki modelowania Podobieństwo sił ciężkości kryterium Froude a: - podobieństwo geometryczne: - podobieństwo przepływu: - podobieństwo prędkości: Rys. Schemat przepławki ryglowej, niebieski układ w naturze, czerwony - model

Modelowanie numeryczne Kalibracja modelu numerycznego w oparciu o pomiary laboratoryjne. Parametry za pomocą których przeprowadzono kalibrację: - współczynnik szorstkości - odległość węzłów obliczeniowych siatki - krok czasowy Sprawdzanie zgodności: - układu zwierciadła wody - prędkości wody

Kalibracja modelu numerycznego przepławki ryglowej Q = 0.61 m3/s F3 = 31% Fot. Poziom zwierciadła wody Laboratorium KIWiG Rys. Poziom zwierciadła wody CCHE2D - Gui

Kalibracja modelu numerycznego przepławki ryglowej Wyniki pomiarów laboratoryjnych vr = 0.44 m/s vb1 = 0.27 m/s vb2 = 0.11 m/s vb3 = 0.05 m/s vb4 = 0.14 m/s Rys. Przestrzenny rozkład średnich prędkości przepływu dla modelu laboratorium CCHE2D - Gui

Kalibracja modelu numerycznego przepławki ryglowej R Tab. Porównanie prędkości rzeczywistych z prędkościami z pomiarów laboratoryjnych v vnatura vlab vprzeliczone R 1.08 0.44 0.44 B1 0.66 0.27 0.27 B2 0.28 0.11 0.11 B3 0.13 0.05 0.05 B4 0.35 0.14 0.14 [m/s] Rys. Przestrzenny rozkład średnich prędkości przepływu CCHE2D - Gui

Wyniki modelowania numerycznego przepławki ryglowej Q = 0.61 m3/s F1 = 25 % Rys. Przestrzenny rozkład średnich prędkości CCHE2D - Gui

Przepławka dwufunkcyjna Fot: R. Hassinger

Przepławka dwufunkcyjna Rys. Model przepławki dwufunkcyjnej Laboratorium KIWIG

Przepławka dwufunkcyjna Przepływy: Q1 = 0,029 m3/s Q2 = 0,039 m3/s Q3 = 0,050 m3/s Rumowisko: d1 = 1-2 cm d2 = 2-4 cm d3 = 4-6 cm Rys. Schemat rozmieszczenia pionów pomiarowych Spadki: i1 = 0.87 % i2 = 1.67 % i3 = 2.56 %

Przepławka dwufunkcyjna wyniki pomiarów a) b) c) Rys. Rozkład prędkości: a) widok izometryczny, b) widok z góry, c) widok z boku, zielony pion 7, czerwony pion 4, różowy pion 1

Przepławka dwufunkcyjna wyniki pomiarów Rys. Rozkład prędkości dla przepływu Q1: va koryto bez szczotek, vb koryto ze szczotkami

Przepławka dwufunkcyjna wyniki pomiarów Rys. Intensywność turbulencji dla przepływu Q1 : va koryto bez szczotek, vb - koryto ze szczotkami

Przepławka dwufunkcyjna warunki modelowania Podobieństwo sił ciężkości kryterium Froude a: - podobieństwo geometryczne: - podobieństwo przepływu: - podobieństwo prędkości: Rys. Schemat przepławki dwufunkcyjnej, niebieski układ w naturze, czerwony - model

Modelowanie numeryczne Kalibracja modelu numerycznego w oparciu o pomiary laboratoryjne. Parametry za pomocą których przeprowadzono kalibrację: - współczynnik szorstkości - odległość węzłów obliczeniowych siatki - krok czasowy - gęstość szczotek Sprawdzanie zgodności: - układu zwierciadła wody - prędkość wody

Model przepławki dwufunkcyjnej Rys. Model przepławki dwufunkcyjnej CCHE2D Mesh Generator

Model przepławki dwufunkcyjnej Fx [%] Fy [%] a 50 50 b 33 33 c 25 25 d 50 25 e 25 50 f 50 33 Rys. Schemat do wyznaczania gęstości szczotek Rys. Szczotki o różnej gęstości CCHE2D Mesh Generator

Wyniki modelowania numerycznego Rys. Poziom zwierciadła wody CCHE2D Gui

Wyniki modelowania numerycznego Profil prędkości vh = 0.44 m/s vh1 = 0.17 m/s vh2 = 0.66 m/s Rys. Profile prędkości: a) przepławka dwufunkcyjna, b) koryto bez szczotek

Wyniki modelowania numerycznego Rys. Przestrzenny rozkład prędkości CCHE2D Gui

Wyniki modelowania numerycznego model natura h [m] 0.18 0.54 vh [m/s] 0.44 0.73 vh2 [m/s] 0.66 1.13 Rys. Napełnienie CCHE2D Gui Rys. Przestrzenny rozkład prędkości CCHE2D Gui

Przykład modelowania jaz typu powłokowego mała elektrownia wodna (MEW) a) przepławka ryglowa umieszczona w umocnieniu brzegowym po stronie elektrowni b) c) Rys. Schemat stopnia: a) widok z góry, b) przekrój przez jaz, c) schemat przepławki ryglowej

Warunki modelowania przepławki ryglowej Harmonogram pracy turbin MEW i wielkości spadu: - praca jednej turbiny dla Q=10-44 m3/s H1=4,05 m - praca dwóch turbin dla Q=44-88 m3/s H2=3,42 m - praca trzech turbin dla Q=88-132 m3/s H3=3,00 m Wersje obliczeniowe V1 stały spadek dna przepławki, wylot z przepławki na wysokości dna koryta głównego V2 podniesienie wylotu z przepławki V3 zastosowanie łamanego spadku Długość przepławki: 280 m Szerokość przepławki: 3.00 m Spadek dna: 0,0158 Ilość basenów: 33 Δh = 0,15 m vmax = 1,5-1,7 m/s H = 1,30 m Wydatek rurociągu wabiącego: q=0.1-1.0 m3/s Rys. Krzywa konsumcyjna Rys. Przekrój przez rygiel przepławki ryglowej 50% przysłonięcia powierzchni

Siatka obliczeniowa Parametry siatki: - ilość węzłów: I = 90 J = 484 Σ = 43560 - zagęszczenie siatki: 0.1 1.5 m, Rys. Siatka obliczeniowa CCHE2D Mesh Generator

Wyniki modelowania Prędkość przepływu wody w przepławce vprzesmyk = 1,30 m/s vbasen = 0,60 m/s vcień za kamieniem = 0,15 m/s Rys. Rozkład prędkości CCHE2D - Gui

Wyniki modelowania Tab. Wyniki modelowania dla wersji v1 Q [m /s] 3 v [m/s] h [m] Dunajec MEW rurociąg wabiący basen góra przesmyk poniżej basen MEW przesmyk basen dół przesmyk wylot z przepławki koryto główne góra środek dół 15 10 0.1 0.65 1.1 0.66 1.1 0.7 1.2 0.75 0.54 1.3 1.3 1.32 85 75 1 0.65 1.1 0.95 1.44 0.68 0.9 0.6 1 1.3 1.4 2.1 Rys. Układ zwierciadła wody dla wersji v1 146 132 1 0.65 1.2 0.85 1.46 0.6 0.76 0.65 1.2 1.3 1.4 2.55

Wyniki modelowania Tab. Wyniki modelowania dla wersji v2 Q [m /s] 3 v [m/s] h [m] rzeka MEW rurociąg wabiący basen góra przesmyk poniżej basen MEW przesmyk basen dół przesmyk wylot z przepławki koryto główne góra środek dół 15 10 0.1 0.66 1.21 0.67 1.22 0.82 1.55 1.03 0.44 1.33 1.32 1.17 85 75 0.5 0.65 1.22 0.76 1.31 0.72 1.16 0.85 1 1.33 1.37 1.63 Rys. Modyfikacje profilu podłużnego przepławki 146 132 1 0.69 1.24 0.88 1.42 0.7 0.96 0.72 1.25 1.35 1.45 2.15

Wyniki modelowania Tab. Wyniki modelowania dla wersji v3 Q [m /s] 3 v [m/s] h [m] rzeka MEW rurociąg wabiący góra basen przepławki przesmyk basen środek przepławki przesmyk dół basen przepławki przesmyk wylot z przepławki koryto główne góra przepławka środek dół przelew 30 25 0.20 0.60 1.22 0.64 1.24 0.76 1.71 1.54 0.55 1.34 1.34 1.30 0.16 47 40 0.30 0.60 1.22 0.65 1.27 0.86 1.74 1.74 0.70 1.34 1.35 1.37 0.16 85 75 0.50 0.60 1.24 0.76 1.31 0.76 1.33 0.72 0.95 1.34 1.37 1.64 0.16 110 100 0.70 0.60 1.24 0.80 1.37 0.79 1.07 0.78 1.30 1.34 1.43 1.98 0.17 Rys. Prędkości wypływającej wody z przepławki i MEW 146 132 1.00 0.65 1.25 0.85 1.43 0.76 1.00 0.76 1.50 1.34 1.45 2.20 0.18

Dziękuję za uwagę