Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Experiments and CFD modeling of high-velocity two-phase flows in a large chute aerator facility
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering, Resources, Energy and Infrastructure. Vattenfall AB, R&D Älvkarleby Lab, Älvkarleby, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-4242-3824
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering, Resources, Energy and Infrastructure.ORCID iD: 0000-0001-7631-3503
Inst Water Resources & Hydropower Res IWHR, Dept Hydraul, Beijing, Peoples R China..
2019 (English)In: Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, ISSN 1994-2060, E-ISSN 1997-003X, Vol. 13, no 1, p. 48-66Article, review/survey (Refereed) Published
Abstract [en]

Mathematical formulations of two-phase flows at an aerator remain a challenging issue for spillway design. Due to their complexities in terms of water-air interactions subjected to high flow velocities, experiments play an essential role in evaluations of numerical models. The paper focuses on the underlying influence of the air-water momentum exchange in the two-phase Two-Fluid Model. It is modified to better represent the drag force acting on a group of air bubbles and the wall lubrication force accounting for near-wall phase interactions. Based on data from a large aerator rig with an approach velocity of 14.3 m/s, the models are evaluated for calculations of entrained air characteristics of a flow mixture. The air bubble diameter used in the modeling ranges from 0.5 to 4 mm as suggested by the experiments. In terms of air cavity configurations and aerator air demand, smaller air bubbles lead to better agreement with the test results. As far as air concentrations are concerned, the modified model gains by comparison. In the air cavity zone, smaller bubble sizes also provide better matches with the experiments. However, the near-base air concentration remains overestimated downstream from the impact area. The fact that the program user must pre-define a single air bubble size in simulations presumably limits the correct reproduction of near-base air concentrations and of their decay.

Place, publisher, year, edition, pages
HONG KONG POLYTECHNIC UNIV, DEPT CIVIL & STRUCTURAL ENG , 2019. Vol. 13, no 1, p. 48-66
Keywords [en]
Aerator, two-phase flow, two-fluid model, drag force, wall lubrication force, air cavity
National Category
Environmental Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-239964DOI: 10.1080/19942060.2018.1552201ISI: 000451548900001Scopus ID: 2-s2.0-85063395379OAI: oai:DiVA.org:kth-239964DiVA, id: diva2:1269752
Note

QC 20181211. QC 20191107

Available from: 2018-12-11 Created: 2018-12-11 Last updated: 2019-11-07Bibliographically approved
In thesis
1. CFD MODELLING AND EXPERIMENTS ON AERATOR FLOW IN CHUTE SPILLWAYS
Open this publication in new window or tab >>CFD MODELLING AND EXPERIMENTS ON AERATOR FLOW IN CHUTE SPILLWAYS
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

A chute spillway is a typical component of large dams for discharging floods. Because of the high water head, the flow velocity in the chute is often in excess of 20 m/s. Consequently, the structure is usually prone to cavitation damages. Flow aeration is evidenced to efficiently eliminate or to mitigate the damages. An aerator is a device that entrains air into the water flows and is an effective technical measure to counter the cavitation damages.

Aerator flow includes intense air-water exchange and involves a process of air entrainment, transport, and detrainment. Because of the complex phenomena, it is still a challenge to investigate the behaviors of interaction between air and water. It is fundamental to understand the flow behaviors downstream of the aerator. This thesis investigates the aerator flow features using both the Computational Fluid Dynamics (CFD) and advanced measurement techniques.

The CFD method presents three two-phase flow models to describe the aerator flows, namely, the Volume of Fluid Model, the Mixture Model, and the Two-Fluid Model. They are applied and evaluated via practical engineering projects and experimental data. The Volume of Fluid model leads to reasonable results regarding the water flow discharge and flow fields. For predicting the air concentration distribution and air bubble transport processes, the Two-Fluid Model is superior to others because it includes forces acting on the air bubbles. However, the model still overestimates the air content near the chute bottom. Based on the aerator flow from a chute spillway in Sweden, three two-phase flow models are applied and compared.

Physical model tests are commonly conducted to investigate aerator flow features. Because of the scale effects, the results may lead to a discrepancy in the flow behaviors compared with the prototype. Thus, CFD modeling becomes an alternative tool when seeking the reason for the difference. Based on the aerator flow in a real spillway, CFD is applied to reproduce the flow; the discrepancy between the model tests and prototype observations is evidenced. The results show similar flow features with the prototype but differ from those of the model tests. An explanation for the discrepancy is discussed in terms of flow features, effect of surface tension in model tests, and the prerequisite for air entrainment of the free-surface flow.

Laboratory experiments are conducted to study the aerator flow in a chute. Four image-based measurement techniques-i.e., high-speed particle image velocimetry (HSPIV), shadowgraphic image method (SIM), bubble tracking method (BTM), and bubble image velocimetry (BIV)-are employed. The study focuses on issues of exploring characteristic positions of water-air interfaces, interpreting the evaluation process of air bubbles shed from the tip of the air cavity, identifying the probabilistic means for characteristic positions near the fluctuating free surface, and obtaining the flow field both water flow and air bubbles features of the aerator flow. The application of these techniques leads to a better understanding of two-phase flow characteristics of the chute aerator.

Abstract [sv]

Ett flodutskov är en typisk komponent hos vattenkraftdammar och som syftar till att släppa ut dimensionerande vattenföring. På grund av den stora fallhöjden hos många höga dammar är flödeshastigheten i utskovskanalen ofta högre än 20 m/s. Följaktligen är utskovsstrukturen oftast sårbar för kavitationsskador. Att lufta vattenströmmen är ett effektivt sätt att eliminera eller mildra skadorna. En luftningsramp är en anordning som blandar in luft i vattenflödet och är en ingenjörsmässig åtgärd för att motverka kavitationsskadorna. 

Luftinblandning avser intensivt luft-vattenutbyte och involverar en process med luftinträngning, transport och infångning av luft i immobila fickor i strömningsvägen. På grund av det komplexa fenomenet är det fortfarande en utmaning att undersöka det växelvisa mekaniska beteendet mellan luft och vatten. Det är grundläggande att förstå flödesbeteenden nedströms av luftningsrampen eftersom luften blandas i vattnet och kan sedan avges till atmosfären. Denna avhandling undersöker egenskaperna hos luftningsflödet med både beräkningsmetoder (Computational Fluid Dynamics – CFD) och avancerade labbförsök.

CFD-metoden presenterade tre stycken tvåfasmodeller för att beskriva luftningsflödena, nämligen s.k. Volume of fluid (VOF), Mixture Model och Two-Fluid Model (TFM). De tillämpas och utvärderas med data från prototyputskov och även genom jämförelser med experimentella data. VOF modellen leder till rimliga resultat avseende både vattenflöde och luftmängd. För att förutsäga luftkoncentrationsfördelning och luftbubblors transportprocesser är TFM överlägsen andra metoder (modeller) eftersom den inkluderar krafter som verkar på luftbubblorna. Modellen överskattar dock fortfarande luftinnehållet nära utskovsbotten. Baserat på uppgifter av ett prototyputskov i Sverige tillämpas och jämförs de tre modellerna.

Fysiska modellförsök genomförs vanligtvis för att undersöka egenskaper hos luftningsrampen. På grund av skaleffekter kan resultaten leda till avvikelser i flödesbeteenden jämfört med prototypen. Således blir CFD-modellering ett alternativt verktyg när orsaken till skillnaden söks. Baserat på fältförsök i ett flodutskov appliceras CFD för att reproducera flödesbeteenden; avvikelser mellan modellförsöken och prototypobservationer visas. CFD, som utförs i prototypmått, visar liknande flödesegenskaper som i prototypen men skiljer sig från dem i modellen. En förklaring till avvikelserna diskuteras i termer av flödesegenskaper, ytspänningens effekt i modellförsöken och förutsättningen för luftinträngning genom den fria vattenytan.

Experiment utförs i labbmiljö för att studera luftningsflödet i en ränna. Fyra bildbaserade mättekniker – det vill säga hastighetsmätning med höghastighetspartikelfotografering (High-Speed Particle Image Velocimetry, HSPIV), skuggrafisk bildmetod (Shadowgraphic Image Method, SIM), bubbelspårningsmetod (Bubble Tracking Method, BTM) och bubbelbildshastighetsmetod (Bubble Image Velocimetry ,BIV) – används. Studien fokuserar på frågor som rör karakteristiska lägen för vatten-luftgränssnitt, tolkning av utvärderingsprocessen för luftbubblor som släpper från spetsen av luftkaviteten, identifiering av sannolika medelvärden för karakteristiska lägen av nära den fluktuerande fria vattenytan och att erhålla hastighetsfältet från både vatten- och luftflöde och egenskaper hos luftbubblor i strömmen. Tillämpningen av dessa tekniker leder till en bättre förståelse av tvåfasflödets egenskaper hos luftningsrampen.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. 82
Series
TRITA-ABE-DLT ; TRITA-ABE-DLT-1937
Keywords
Spillway Aerator, Cavitation, Air Entrainment, Two-phase Flow, VOF, Mixture Model, Two-Fluid Model, Air Cavity, Cavity Air Pressure, Air Concentration, Shadowgraphic Image Method (SIM), High-speed Particle Image Velocimetry (HSPIV), Bubble Tracking Method (BTM), luftningsramp, kavitation, luftinträngning, tvåfasflöde, VOF, Mixture Model, Two-Fluid Model, luftkavitet, kavitetslufttryck, luftkoncentration, skuggrafisk bildmetod, hastighetsmätning med höghastighetspartikelfotografering, bubbelspårningsmetod
National Category
Engineering and Technology Civil Engineering Water Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-259591 (URN)978-91-7873-313-2 (ISBN)
Public defence
2019-10-21, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH Campus, Stockholm, 09:30 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190919

Available from: 2019-09-19 Created: 2019-09-18 Last updated: 2019-09-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4801 kB)11 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4801 kBChecksum SHA-512
3660528f1abfb02cd54b6c80117ece23ee660188909a6488d454c30abc9ae284266f0c2349cf68cdd9200af1c8d5adb74a5e2fc21678fec8b2f8bada4426848f
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Yang, JamesTeng, Penghua

Search in DiVA

By author/editor
Yang, JamesTeng, Penghua
By organisation
Resources, Energy and Infrastructure
In the same journal
Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics
Environmental Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 11 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 354 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf