Axial stretching, viscosity, surface tension and turbulence in free surface vortices at low-head hydropower intakes

Free surface vortices at low-head hydropower intakes can harm plant performance or cause premature failure of mechanical components by inducing unsteady or non-uniform flow or by entraining air, ice or floating debris down towards the turbines. Laboratory-scale physical modelling to assess vortex activity in proposed intakes is effective and remains the standard practice in industry, but it is costly and uncertainty remains as to how viscosity, turbulence and surface tension influence the translation of observed vortex characteristics from the laboratory model to the full-scale intake. Computational fluid dynamics (CFD) has been proposed as a potentially cheaper alternative without scale effects, but it requires further validation. This work sheds additional light on scale effects in laboratory-scale models and assesses the ability of a widely used commercial CFD package to predict vortex characteristics within the constraints of the hydraulic engineering context. A physical laboratory-scale model of a simplified intake is constructed with piers that produce vortices in their wake and that roughly resemble those that support trash racks at hydropower intakes. Instantaneous measurements of the three-dimensional velocity field inside the vortex are taken over a range of vortex intensities produced by eight operating conditions, with simultaneous recording of the free surface depression. The collected data are used to adapt Burgers's vortex model to link vortex characteristics (the characteristic radius, the bulk circulation, the depth and shape of the free surface depression, and the size of the largest floating particles entrained) to the operating conditions and intake geometry. The resulting model is then used to examine how viscosity, turbulence and surface tension influence vortex characteristics and their scaling behaviour. Finally, three operating conditions documented experimentally are numerically modelled using CFD with asimplified custom turbulence modelling strategy. The experimental results indicate that the axial profile of axial velocity in the vortex core, in combination with effective radial diffusivity due to viscosity and/or turbulence, plays a key role in determining the vortex characteristic radius. The magnitude of surface tension effects is shown to be relatively easily predicted and possibly far less important than scale effects associated with viscosity and turbulence. The CFD results further support the conclusion that modelling turbulence in interaction with the vortices remains one of the principal hurdles to overcome in predicting vortex characteristics at intakes in an industrial context.La présence de tourbillons à l'amont de prises d'eau de centrales hydroélectriques à basse chute peut nuire à la performance de la centrale ou causer le bris prématuré de composants mécaniques, en provoquant des conditions d'écoulement non uniformes ou en entraînant de l'air, de la glace ou des débris flottants vers les turbines. Les modèles physiques à échelle réduite sont efficaces pour évaluer la présence de tourbillons à l'amont de prises d'eau proposées et ce mode d'évaluation demeure la pratique courante en industrie. C'est par contre une technique coûteuse et des incertitudes demeurent quant à l'influence de la viscosité, la turbulence et la tension superficielle sur le transfert des caractéristiques de tourbillons observés en modèle de laboratoire vers l'échelle de la centrale à grandeur nature. L'analyse numérique de dynamique des fluides (CFD) est souvent proposée comme alternative moins coûteuse et sans les effets d'échelle, mais le besoin d'une évaluation plus détaillée demeure. Le travail présenté ici apporte des nouvelles idées sur les effets d'échelle dans les modèles physiques à échelle réduite et évalue la capacité d'un logiciel commercial de CFD couramment utilisé pour prédire les caractéristiques de tourbillons dans les limites du contexte de génie hydraulique. Un modèle physique simplifié d'une prise d'eau à échelle réduite est construit avec des piliers provoquant un décollement qui génère des tourbillons. Ces piliers reproduisent approximativement ceux qui retiennent les grilles qui filtrent les gros débris dans les centrales hydroélectriques. Des mesures tridimensionnelles du champ de vitesse instantané sont collectées à l'intérieur des tourbillons de diverses intensités produits par huit conditions d'exploitation étudiées, avec enregistrement simultané de la dépression de la surface libre produite par le tourbillon. Les données ainsi collectées sont utilisées pour adapter le modèle de vortex de Burgers afin de lier les caractéristiques des tourbillons (le rayon caractéristique, la circulation totale, la profondeur et la forme de la dépression de la surface libre, et la dimension des plus grandes particules flottantes entraînées par le tourbillon) à la géométrie de la prise d'eau et aux conditions d'exploitation. Ce modèle adapté est ensuite utilisé pour examiner l'influence de la viscosité, de la turbulence et de la tension superficielle sur les caractéristiques des tourbillons et les lois de changement d'échelle. Enfin, trois conditions d'exploitation documentées expérimentalement sont simulées par CFD en utilisant une stratégie simplifiée de modélisation de turbulence adaptée pour cette étude. Les résultats expérimentaux indiquent que le profil de vitesse axiale le long de l'axe du du tourbillon en son centre, en combinaison avec la diffusivité radiale réelle due à la viscosité et/ou à la turbulence, a une influence déterminante sur la dimension du rayon caractéristique du tourbillon. L'amplitude des effets de tension superficielle peut être prédite relativement facilement et serait possiblement beaucoup moins importante que l'amplitude des effets d'échelle liés à la viscosité et à la turbulence. Les résultats des simulations par CFD renforcent la conclusion que la modélisation de la turbulence en interaction avec les tourbillons demeure un des obstacles principaux à surmonter afin de pouvoir prédire les caractéristiques de tourbillons aux prises d'eau dans un contexte industriel