Figure 47: The course of the level on the physical model [22]

NUMERICAL MODELLING OF FLOW IN SPILLWAY

Author Svoboda, Jiří
Contributors Jandora, Jan (advisor); Holomek, Petr (referee)

Abstract

이 학위 논문의 주제는 Boskovice 상수도의 안전 배수로에서 유량 수치 모델링 솔루션입니다. 디플로마 논문의 소개에서는 기본 오버플로를 일반적으로 설명하고 모양과 유형에 따라 구분합니다. 수역에 사용되는 안전 배수로도 있습니다. 그 다음에는 오버 플로우 계산에 대한 설명, 수학적 모델링 및 사용 된 난류 모델에 대한 설명이 이어집니다. 또한이 작업은 Boskovice 상수도에 대한 기술적 설명, AutoCAD 2020 소프트웨어의 안전 배수로, 경사 및 미끄러짐의 가상 3D 모델 생성, Blender 소프트웨어에서의 검사 및 수리를 다룹니다. 결론적으로 Flow-3D 소프트웨어의 흐름 수치 모델링 결과와 토목 공학부 유압 공학과에서 수행 된 유압 모델 연구와의 후속 비교가 제시됩니다.

The goal of the diploma thesis is the numerical modelling of flow in planned spillway of the Boskovice dam. In the introduction of this diploma thesis are described and divided basic spillways according to their types and profiles. There are also mentioned emergency spillways. Then the thesis introduces the description of calculation of overflow quantity, the description of mathematic modelling and used turbulent models. The next part is concerned with the technical description of the Boskovice dam, the creation of virtual 3D model of spillway and spillway chute in the AutoCAD 2020 software and concerned with the control and revision of model in the Blender software. In the end of the thesis are mentioned results of numeric modelling of flow gained from the Flow-3D software and the comparison of results with the research of hydraulic model implemented at Water structures institute of Faculty of Civil Engineering of BUT.

Keywords: Spillway, numerical model, 3D model, FLOW-3D, Boskovice dam, rockfill dam.

Introduction

상수도 (VD)는 인구에게 식수 공급, 홍수 방지, 발전 등과 같은 긍정적 인 효과만 있는 것이 아닙니다. 안타깝게도 물 작업, 특히 더 많은 양의 물이 남아있는 작업도 중요한 위협 요소가 될 수 있습니다. 수술 중에 자연의 힘이나 심지어 인적 요인의 실패로 인해 사고가 발생할 수 있습니다. 흐름의 수치 모델링을 위해 안전 배수로를 선택한 VD Boskovice의 경우,이 작업은 1 차 범주에 포함됩니다.

이론적 사고는 극도로 높은 경제적 피해를 입히고 환경에 피해를 줄 수 있으며 국가 규모에 사회적 영향을 미치고 큰 인명 손실을 초래할 수 있습니다. 가설적인 사고는 여러 가지 이유로 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 홍수가 극심한 동안의 배수로에서 배수로의 마루가 넘쳐 댐의 공기 경사면이 표면 침식으로 이어지고 이후 배수로가 파열 될 수 있습니다.

이러한 사고를 방지하기 위해 VD에 안전 유출 구조물을 구축하고 있으며, 유출이 넘치지 않도록 관련 VD 범주에 해당하는 충분한 용량이 있어야 합니다. 안타깝게도 VD 운영의 역사에서 안전 배수로에 충분한 용량이 없었고 극심한 홍수 흐름 중에 댐이 유출되고 VD 댐이 파열되는 경우가 있습니다. 이러한 이유로 안전 배수로를 설계하는 것은 비용과 시간이 많이 드는 프로세스입니다.

설계 중에는 설계 홍수파 (NPV) 및 제어 홍수파 (KPV)를 안전하게 전달하기 위해 충분한 용량이 사용됩니다. 적절한 설계를 확인하기 위해 안전 배수로의 흐름 모델링이 사용되며, 여기서 물리적 모델이 일반적으로 사용되며 실험실에서 축소 된 규모로 생성됩니다. 수년 동안 컴퓨터 기술 사용 가능성이 증가함에 따라 다양한 소프트웨어에서 수치 모델링을 사용하여 CFD (유체 흐름 시뮬레이션)를 사용하여 안전 배수로의 흐름을 모델링하여 재정 비용을 크게 줄일 수 있었습니다.

<중략>………….

Figure 1: Basic type of sharp-edged overflow (Bazin's overflow) [1]
Figure 1: Basic type of sharp-edged overflow (Bazin’s overflow) [1]
Figure 3: Overflow with a wide crown [1]
Figure 3: Overflow with a wide crown [1]
Figure 4: Schematic longitudinal section of shaft overflow [14]
Figure 4: Schematic longitudinal section of shaft overflow [14]
Figure 5: Overflow over overflow of general cross-section [1]
Figure 5: Overflow over overflow of general cross-section [1]
Figure 6: Imperfect overflow [1]
Figure 6: Imperfect overflow [1]
Figure 7: Types of overflows according to floor plan [1]
Figure 7: Types of overflows according to floor plan [1]
Figure 8: Lateral contraction and lateral constriction coefficient of pillars [1]
Figure 8: Lateral contraction and lateral constriction coefficient of pillars [1]
Figure 9: Schematic comparison of a pressureless jet surface with a pressure and vacuum surface [22]
Figure 9: Schematic comparison of a pressureless jet surface with a pressure and vacuum surface [22]
Figure 14: Situation of external relations of VD Boskovice [17]
Figure 14: Situation of external relations of VD Boskovice [17]
Figure 15: Air slope of VD Boskovice [24]
Figure 15: Air slope of VD Boskovice [24]
Figure 16: Guide slope of VD Boskovice [24]
Figure 16: Guide slope of VD Boskovice [24]
Figure 17: Sampling tower of VD Boskovice [24]
Figure 17: Sampling tower of VD Boskovice [24]
Figure 18: Fountain front safety spillway [24]
Figure 18: Fountain front safety spillway [24]
Figure 19: Sliding of the security object VD Boskovice [24]
Figure 19: Sliding of the security object VD Boskovice [24]
Figure 20: Slip and divergent broth of the security object VD Boskovice [24]
Figure 20: Slip and divergent broth of the security object VD Boskovice [24]
Figure 21: Probable course of the theoretical PV10 000 in Bělá in the profile of the VD Boskovice dam [6]
Figure 21: Probable course of the theoretical PV10 000 in Bělá in the profile of the VD Boskovice dam [6]
Figure 22: Floor plan of the safety spillway and part of the VD Boskovice slip [12]
Figure 22: Floor plan of the safety spillway and part of the VD Boskovice slip [12]
Figure 23: Longitudinal section of BP and slope in the plane of symmetry [12]
Figure 23: Longitudinal section of BP and slope in the plane of symmetry [12]
Figure 24: Modified floor plan of the overflow and chute of VD Boskovice for the creation of a 3D model
Figure 24: Modified floor plan of the overflow and chute of VD Boskovice for the creation of a 3D model
Figure 25: Created overflow structure without modification
Figure 25: Created overflow structure without modification
Figure 26: Created overflow structure after treatment
Figure 26: Created overflow structure after treatment
Figure 27: Detail of the modified overflow shape
Figure 27: Detail of the modified overflow shape
Figure 33: 3D model with normals shown in blue
Figure 33: 3D model with normals shown in blue
Figure 37: Improperly selected mesh block size
Figure 37: Improperly selected mesh block size
Figure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayed
Figure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayed
Figure 47: The course of the level on the physical model [22]
Figure 47: The course of the level on the physical model [22]
Figure 51: Comparison of levels in PFm4a
Figure 51: Comparison of levels in PFm4a
Figure 52: Isoline of overflow pressures at flow Q = 173.49 m3/s
Figure 52: Isoline of overflow pressures at flow Q = 173.49 m3/s

결론

이 학위 논문에서는 Flow-3D 소프트웨어에서 Boskovice 상수도의 계획된 안전 오버플로 흐름을 시뮬레이션했습니다. 계획된 안전 범람의 범람 가장자리 길이는 21.99m입니다. 그러나 VD Boskovice의 재건 내에서 VD Boskovice [7]의 수력 학적 모델 연구 결과에 따라 안전 개체 VD Boskovice [7]의 결론에 따라 24.60m로 증가했습니다.

MBH 수준 (해발 432.30m)에서는 최고 유량 Q10 000 = 186.5 m3 / s로 제어 홍수 파 KPV10 000의 안전한 전송이 없지만 유량 Q = 167.0 m3 / s 만 있기 때문에 에스. 이 진술은 Flow-3D에서 난류 RNG k – ε 모델을 사용한 수치 적 흐름 모델링에 의해 확인되었으며 MBH에서 173.49 m3 / s의 유속을보고했습니다.

따라서 수력학적 모델 연구 [7]와 Flow3D의 수치 적 흐름 모델링 간의 차이는 약 3.7 % 였는데, 이는 물리적 모델의 형상 또는 생성 된 형상의 가능한 오류와 같은 다양한 요인으로 인한 것일 수 있습니다. 가상 3D 모델. 또한 실제 모델에서 측정하는 동안 발생할 수 있는 오류 (예 : 오버플로 높이 또는 흐름 값을 결정할 때의 장치 오류). 수치 모델의 경우 차이는 사용 된 셀 네트워크 셀 크기, 거칠기, 전류 폭기의 무시, 수치 적 방법에 의해 주어진 불확실성 또는 3D 모델의 단순화로 인한 것일 수 있습니다.

이러한 요소는 Flow-3D 소프트웨어에서 시뮬레이션 된 레벨의 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 영역에서는 유압 모델 연구 [7]의 현재 깊이와 센티미터 단위 만 다릅니다. 그러나 일부 영역에서는 이러한 차이가 수십 센티미터 정도, 예외적으로 1m 측벽에서 더 두드러지며 이는 Flow-3D 소프트웨어의 유동 시뮬레이션에서는 발생하지 않았습니다.

Flow-3D의 흐름에 의한 수치 모델링에 따르면, Q10 000 = 186.5 m3 / s의 피크 흐름을 가진 제어 홍수 파 KPV10 000은 해발 432.40 m의 탱크 레벨에서만 안전 오버플로를 통해 전송됩니다. 즉, MBH 레벨보다 10cm 높음. 이 계산은 오버플로 가장자리 21.99m의 너비에 대해 수행되었지만 이미 재구성 된 안전 오버플로 VD Boskovice의 너비는 24.60m입니다.

이전 평가에서 생성 된 항목에 수치 모델링 만 사용하는 것이 완전히 신뢰할 수있는 것은 아님이 분명합니다. 민감도 분석 및 물리적 모델에 대한 수리적 연구와의 후속 비교가 없는 가상 3D 모델. 그러나 향후 몇 년 동안 물리적 모델로 평가할 필요 없이 수치 적 흐름 모델링의 결과가 충분히 신뢰할 수 있다면 실험실에서 수행되는 더 많은 비용이 드는 수력학적 모델 연구를 점진적으로 대체 할 수 있습니다.

Reference

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NAKLADATELSTVÍ CERM, 2007. ISBN 978-80-7204-512-9.
[2] BOOR, B., J. KUNŠTÁTSKÝ a C. PATOČKA. Hydraulika pro vodohospodářské
stavby. Praha: SNTL, 1968. ISBN 04-710-68.
[3] STARA, Vlastimil a Helena KOUTKOVÁ. 3. Vodohospodářská konference
s mezinárodní účastí: Součinitel přepadu přelivu s kruhově zaoblenou korunou
z fyzikálních experimentů. Brno, 2003. ISBN 80-86433-26-9.
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VD Boskovice na ÚVS Stavební fakulty VUT v Brně. Výzkumná zpráva, LVV-ÚVSFAST VUT v Brně, 2013
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https://www.flow3d.com/products/flow-3d/why-flow-3d/
[12] Podklady poskytnuté Ing. Petrem Holomkem (Povodí Moravy, s. p.)
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American Society of Civil Engineers, 1998. ISBN 0733-9437.
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Vedoucí práce Ing. Petr Prax, Ph.D.
[16] ŘÍHA, Jaromír. Hydraulika podzemních vod: Modul 01. Studijní opora. FAST VUT
v Brně 2006.

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1995-2016 Esri
[18] VD Boskovice. Povodí Moravy [online]. Media Age Digital, s.r.o., 2010-2020. [cit. 2020-
09-08]. Dostupné z: http://www.pmo.cz/cz/o-podniku/vodni-dila/boskovice/.
[19] DESATOVÁ, Martina. Numerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu
vybraného vodního díla. Brno, 2020. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[20] HOLINKA, Matouš. Numerické modelování proudění v bezpečnostním objektu vodního
díla. Brno, 2017. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební,
Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[21] KŘIVOHLÁVEK, Roman. Numerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu
vodního díla Letovice. Brno, 2018. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[22] ŠULC, Jan, Podklady k přednáškám předmětu CR053 Bezpečnostní objekty
hydrotechnických staveb. Brno, 2020.
[23] HOLEČEK, Miroslav. Hydraulika přelivu sypaných přehrad. Praha, 2006. České vysoké
učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra hydrotechniky.
[24] Místní šetření dne 17. 12. 2020 za účasti Bc. Jiří Svoboda a Milan Coufal
(Povodí Moravy, s. p.).
[25] JANDORA, Jan, Podklady k přednáškám předmětu CR005 Matematické modelování ve
vodním hospodářství. Brno, 2020.
[26] KOZUBKOVÁ, Milada, Modelování proudění tekutin, FLUENT, CFX. Vysoká škola
Báňská Technická univerzita Ostrava, 2008.

Sturgeon Navigate Fish Ladder

Sturgeon Navigate Fish Ladder

 

This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.

 

 

Sturgeon Navigate Fish Ladder

Sturgeon Navigate Fish Ladder

 

This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.