Caractéristiques du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir – ou Déversoir en Clef de Piano – est un modèle particulier d'évacuateur en labyrinthe. Il est composé d’une alternance de surfaces inclinées, l’une dans le sens d’écoulement de l’eau, l’autre dans le sens opposé à l’écoulement. Chacune de ces pentes est séparée par un mur vertical suivant la géométrie. Vu d’en haut, il s’agit d’un rectangle découpé en sections de taille égales dans le sens de la largeur. Pour chacune des sections, l’un des côtés perpendiculaires au courant est abaissé, créant une pente sur laquelle l’eau peut couler ou s’accumuler, en fonction du côté sur lequel est abaissé la section. Cette structure surmonte une sorte de muret de hauteur variable. Le Piano Key Weir est généralement utilisé en sortie de barrage, l’idée étant de disposer d’une construction qui soit suffisamment solide pour résister à la pression créée par une quantité élevée d’eau dans un réservoir ou une rivière en période de crue, qui permette d’évacuer le trop-plein d’eau, et qui soit suffisamment simple pour ne pas être trop couteuse. Utilité du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir est donc un déversoir à écoulement libre. Du fait de sa géométrie, il est possible de faire augmenter sa capacité d’évacuation de manière significative. Les études menés sur ce type de déversoir ont deux objectifs : construire des déversoirs solides et peu couteux pour la suite, mais aussi renforcer les structures plus anciennes, ce qui permet notamment d’éviter les accidents. En effet, en les plaçant en aval de barrage et en amont des villes, ils permettent de contrôler le débit d’eau, et donc d’éviter les inondations. Le Piano Key Weir rend possible la décharge importante et contrôlée d’une quantité soudaine et très élevée d’eau. Ce type de déversoir présente plusieurs qualités primordiales. Tout d’abord, il est facilement installable sur des constructions déjà existantes, contrairement aux déversoirs en labyrinthe classiques. De plus, sa forme alternant les pentes montantes et descendantes permet de créer deux flux différents selon que l’eau arrive sur l’une ou l’autres des pentes. Lorsque l’eau passe dévale la pente descendante, elle coule sous forme de jet vers le bas du barrage, et lorsqu’elle est d’abord contenue par la pente ascendante, elle s’écoule sous forme de film avant de rejoindre le jet un peu plus bas. Cette division des flux permet de ralentir considérablement le débit d’eau, de manière beaucoup plus efficace qu’un barrage droit traditionnel pourrait le faire. Résultats de la simulation Afin d’observer les effets du Déversoir en Clef de Piano, nous avons effectué une simulation numérique avec le logiciel FLOW-3D® en en plaçant un dans un cours d’eau. Nous sommes restés sur un model setup classique, étant donné qu’il a été montré que c’était celui qui permettait d’obtenir les résultats les plus proches de la réalité. On observe bien l’écoulement caractéristique de l’eau sur les “touches” du piano, et la diminution du débit après le passage sur le déversoir. On observe une différence de seulement 2% à 4% entre les résultats expérimentaux et la simulation avec FLOW-3D en moyenne. Seule la résolution de la mesh est un facteur déterminant en ce qui concerne l’exactitude de la simulation, mais celle-ci n’a qu’une influence de 3-4% maximum, ce qui signifie que dans tous les cas les résultats ne montent, au plus, qu’à 6% d’erreur. … [Read more...]
Simulation hybride modele de saint-venant/3D de la rupture d’un barrage sur une topographie reelle
La simulation de l'effet de la rupture d'un barrage sur une topographie d'extension réelle était, jusqu'à il y a quelques années, un objectif très difficile à atteindre en raison du coût élevé du calcul. Une caractéristique innovante de FLOW-3D®, disponible depuis la version 11.0, permet d'utiliser une approche hybride, combinant une simulation 3D complète dans la zone du barrage, où les effets tridimensionnels du débit d'eau sont les plus importants, à une approche " eau bas " dans des zones plus éloignées. Cela permet d'obtenir une solution pour simuler rapidement et précisément ce type de problèmes. De plus, à partir de la version v11.1 de FLOW-3D®, vous pouvez facilement importer le fichier raster contenant la topographie en un seul clic, ce qui rend la phase de setup très simple. https://www.youtube.com/watch?v=Q7x55ohyDxA Video 1 : Overall view Dans la simulation, on a utilisé une topographie réelle d'un lac avec des montagnes : l'extension du domaine de calcul est d'environ 5'000 km2 et un hypothétique grand barrage a été créé dans la topographie. En utilisant tous les modèles physiques décrits ci-dessus et le modèle " General moving objects " pour simuler avec précision la rupture du barrage en 3D, il a été possible de prédire l'effet de la rupture, la zone affectée et la zone immergée dans la topographie. La simulation dure plus de 35 minutes en temps réel, simulant de façon transitoire l'impact de l'eau sur la topographie jusqu'à ce que le bassin soit complètement vidé. L'écoulement à travers le barrage est un résultat intéressant de la simulation. L'ensemble du post-traitement a été réalisé grâce aux nombreuses fonctionnalités du logiciel dédié FlowSight, notamment : caméra mobile, différentes couleurs réalistes pour la topographie et l'eau, réglage fin des transparences et des reflets lumineux pour rendre la visualisation aussi réaliste que possible, utilisation de textures pour représenter la surface du barrage, caméra mobile pour suivre la trajectoire du fluide, plusieurs graphiques et fenêtres pour montrer en une seule vue tous les aspects essentiels de la simulation. https://www.youtube.com/watch?v=xsKx4L9QThI Video 2 : flow depth La vidéo 1 présente une vue d'ensemble de l'écoulement de l'eau avec des couleurs réalistes. La vidéo 2, en revanche, est une analyse plus " scientifique " : l'eau est colorée avec la profondeur du fluide, en utilisant une échelle de 20 couleurs pour mettre en évidence la différence de profondeur même sur de petites parties de l'échelle, et le sol est coloré avec la hauteur. Enfin, un graphique du débit à travers un diaphragme positionné sur la paroi du barrage est présenté. Une série de rendus réalistes sont sauvegardés dans les images, dont certains ont évolué avec le temps. … [Read more...]
Simulation d’une turbine Pelton – du transitoire de démarrage à l’état du régime
Les turbines Pelton (ou roue Pelton) sont les turbines les plus utilisées dans le monde pour la production d'électricité dans les centrales hydroélectriques, en raison de leur haut rendement. Son design date de 1870 mais, avec quelques modifications, il reste le premier choix des nouvelles centrales électriques. Dans une turbine Pelton, l'énergie est extraite de l'énergie cinétique de l'eau, contrairement à d'autres types de turbines où la pression hydrostatique est utilisée : l'eau, provenant d'un bassin supérieur, est accélérée et éjectée contre les aubes de la roue Pelton. La géométrie de la palette est conçue pour absorber autant que possible l'énergie cinétique du fluide et commencer à tourner. La vitesse de rotation de la turbine est ensuite convertie en énergie électrique par une bobine conductrice. La simulation analyse le transitoire initial de la turbine, où l'eau à plus de 100 m/s impacte la pale de la roue Pelton fournissant couple et accélération angulaire. https://www.youtube.com/watch?v=lb2xEbHmWKw Toutes les géométries et les données utilisées dans la simulation sont réalistes et cohérentes avec le phénomène réel : la géométrie de la roue a une forme et des propriétés de masse réelles, le fluide est l'eau avec une vitesse raisonnable et la buse contient une valve doble, utilisée dans les turbines réelles pour ajuster le débit d'eau. Intéressant est le graphique de la vitesse angulaire de la roue. Pour les turbines Pelton, on sait que le rendement maximal est atteint lorsque la vitesse périphérique de la roue atteint environ la moitié de la vitesse de l'eau à la buse. Pour ce faire, une sonde a été placée au centre de la buse afin de surveiller la vitesse du fluide, tandis qu'une autre sonde a été fixée à une pale de roue afin de capter la vitesse périphérique. Les deux grandeurs peuvent être affichées directement en sortie de la simulation. Les vidéos utilisent largement les fonctionnalités de Flowsight : transparence basée sur la valeur des variables, caméra mobile, réglage fin de la lumière et des reflets, visualisation multi-tracés et multi-vues. https://youtu.be/TddbeL1lK9I … [Read more...]
Success Criterion for Fish Passages
This article was contributed by Matthias Haselbauer, RMD Consult and Carlos Barreira Martinez, Federal University of Minas Gerais. In Brazil, the use of surface water has constantly increased during the past 150 years. To maintain navigability, to generate hydropower, and to defend against flooding, a large number of obstacles and diversions have been erected that interfere with natural flows. Fish and other small animals that inhabit the rivers suffer from these alterations. A massive decrease in the number of fish to the point of extinction of some species has been observed. With the simultaneous decrease in fish, bird, and mammal populations, the enormous human impact on the food chain has become obvious. In an attempt to keep rivers open for fish, a large number of fish passages have been built in Brazil, but their efficiency in respect to both their biological and technical aspects was often poor. The flow situations in the passages, often designed using one-dimensional and empirical assumptions, result in an excessive selectivity and in poor locations. In contrast to the traditional one-dimensional design of fish passages more appropriate tools are available today. With computational fluid dynamic (CFD) simulations, not only the mean velocity field can be investigated, but also transient flow effects, which have considerable influence on the usefulness of fish passages. To achieve optimum results a coupling of hydraulic and biological considerations is essential in the design process. In this work, turbulent coherent structures inside a periodic vertical sluice gate fish passage are discussed. Between two pools, with lengths of 4.50m and widths of 3.30 each, the flow has to pass a small vertical opening with an extension of 0.50m (Fig. 1). The CFD simulations were carried out with FLOW-3D. With periodic boundary conditions in the flow direction the achievable resolution was about 2.5cm. The level difference of the water surface Δh between the two pools was 20cm. Hence, the maximum of the absolute velocity is about 2 m/s ≈ Δh*2g. The entire potential energy is transformed into kinetic energy and later dissipated in the pool. Areas of high velocities form where jets are detached from the walls. By means of a Large Eddy Simulation (LES), a detailed analysis of the instantaneous flow regime was possible. The distribution of velocity and turbulence fields, as well as coherent turbulent structures within the pools allowed for a better understanding of fish behavior. Turbulent pressure fluctuations The instantaneous velocity or pressure fields can be divided into the mean values and corresponding fluctuations. The respective equation for the fluctuating pressure is: An examination of the turbulent pressure field shows, that the turbulent pressure inside of vortices is negative. The local minimum values of the turbulent pressure indicates cores of large scale vortices, as shown in Figure 2. In the fish passage, several horizontal rollers can be observed. The vortices are formed inside the shear layer of the sluice. With increasing running distance of the vertices, the turbulent pressure inside the rollers increases due to the increasing vortex diameter and the decreasing turbulent pressure amplitude. Analysis of the turbulent pressure in open channel flows in relation to coherent structures is quite difficult. Large scale vortices can rarely be detected by direct observation. This is due to the fluctuations of the water surface and the related pressure fluctuations inside the entire current. The pressure fluctuations invoked by surface waves decrease with the water depth z by the following exponential law [Kundu, 2004]: The superposition of different pressure fluctuations makes it difficult to detect large scale coherent structures near the surface. Q-Criterion Another tool for vortex detection was proposed by Dubrief (2000) and Hunt (1988), who compared isosurfaces of the pressure, of the vorticity and of the Q-criterion. Read more... … [Read more...]
Interaction Between Waves and Breakwaters
This article is an adapted version of an article published in the journal of the Engineering Association for Offshore and Marine in Italy by Fabio Dentale, E. Pugliese Carratelli, S.D. Russo, and Stefano Mascetti. The first three authors are users at the University of Salerno; Mr. Mascetti is an engineer at XC Engineering, Flow Science’s associate for Italy and France. The design of breakwaters must be based on the full understanding of the interaction of a complex natural system (the sea and shores) with artificial structures (breakwaters). Typically, design work entails extensive physical modelling, which can be quite expensive and time-consuming. Until recently, the complex aspects of breakwater behavior were considered too challenging for detailed numerical simulations. This is especially the case for breakwaters consisting of rubble mounds composed of blocks of concrete or rocks in which water flows through complex paths with unsteady motion. The gap between numerical and physical, investigations, has narrowed, thanks to the advancement of computing technology. It is now possible to accurately represent a solid structure consisting of individual blocks which interacts with the flow, so as to create a numerical flow domain within the empty spaces between the blocks. This enables the evaluation of the effect of the full hydrodynamic behavior, including convective terms, and the effects of turbulence, which cannot be taken into account with the classical Darcy scheme in which the breakwaters are approximated as homogeneous porous media. Modeling Rubble Mound Breakwaters The following examples describe cases where rubble mound breakwaters are modelled on the basis of their real geometry, taking into account the hydrodynamic interactions with the wave motion. Figure 1: Artificial blocksFigure 2a: Submerged BreakwatersFigures 2b and 2c: Emerged Breakwater – Accropode regular & Accropode irregular The work takes into consideration a schematic representation of a natural stone mound, reproduced as a set of spheres, and was further developed to consider commonly-used artificial blocks such as the cube, the modified cube, the antifer, the tetrapod, the accropode, the accropode II, the coreloc, the xbloc,and the xbloc base (Fig. 1). Breakwaters, both submerged and emerged, were sized by making use of standard empirical formulas as available in the literature and numerically constructed by overlapping individual blocks following real geometric patterns, modelling the structure as in the full size construction and in the physical modelling (Fig. 2). In order to validate the quality of the proposed procedure, three different geometries were considered for the submerged breakwater: solid, porous, solid-porous (Fig. 2a), while for the emerged breakwater, two different geometries were used, according to the shape of the elements: regular and random (Fig. 2b – 2c). Read more... … [Read more...]
