Quality and trust in physical model test : Examination by CFD modelling

Many of the hydropower dams in Sweden need to be refurbished in order to be able to handle higer design floods. A part of the work in refurbishing the dams is to build physical models. When the physical models are built the uppstream reservoir area is designed to be a couple of times wider and longer than the spillway. This practice is often enough to create a realistic discharge through a bottom outlet, if this design practice is enough to create a realistic discharge through a surface spillway has however not been investigated. This thesis used computational fluid dynamics (CFD) modelling to investigate how the discharge through a surface spillway changes based on the uppstream reservoir area. Five different geometries were created in size varying from twice as large as the surface spillway up to ten times as large as the surface spillway. Deepening on the boundary conditions used the difference in dischagrebetween the smallest and largest reservor was 0.09% and 2.5%. From the results the recomendation from this study is to build the uppstream reservoir at least twice as large as the surface spillway. From the results of this study it is not possible to say exactly how much the discharge varies with an increase in reservoir size due to uncertatnites in the calculations it can however be established that the difference is small for this specific geometry. En stor del av alla vattenkraftsdammar i Sverige har byggts under 1950- och 1960 talet. Närvattenkraftsdammarna byggdes designades de för att klara av femhundra- till tusenårsflodermultiplicerat med en säkerhetsfaktor. Det har dock visat sig att detta sätt att designavattenkraftsdammarna inte var tillräckligt utan de är i många fall kraftigt underdimensionerade.En del i arbetet med att åtgärda och förnya vattenkraftsdammarna är att Vattenfall R&D byggerfysiska modeller av vattenkraftsdamamrna i laboratoriet i Älvkarleby.När de fysiska modellerna byggs designas uppströms reservoiren att vara några gånger bredareoch längre än utskovet, vilket är tillräckligt för att skapa ett realistiskt vattenflöde genombottenutskovet. Det har dock tidigare inte undersökts om denna metod är tillräcklig för att ävenskapa ett realistiskt vattenflöde genom ett ytutskov. Det här projektet har då genom datorstöddaflödessimuleringar (CFD), simulerat hur vattenflödet genom ett ytutskov varierar med storlekenpå reservoiren.Fem olika modeller med en reservoir i stolerksordnigar mellan två gånger större än ytutskovet upptill tio gånger större än ytutskovet skapades baserat på en geometri från en riktigt vattenkraftsdam.Vad som visades var att det är en väldigt liten skillnad i vattenflödet genom ytutskovet medvarierande skillnad i reservoir storleken. Vattenflödet skillde sig med 0.09 % när tryckrandvilkoranvändes och 2.5 % när massflödesrandvilkor användes, mellan de största och minsta storlekarna. På grund av vissa osäkerheter i modelleringen baserat på använd geometri, precisionen i beräkningarna med mera går det inte att säga exakt hur mycket vattenflödet genom ytutskovetskiljer sig beroende på reservoirens storlek. Vad som kan sägas med säkerhet är att det för den härgeometrin är en väldigt liten skillnad mellan de olika storlekarna. Utifrån resultatet gesrekomendationen att vid fysisk modellering duger nuvarande konstruktionsättet att byggareservoiren några gånger större än ytutskovet. En del av arbetet med CFD är att validera resultatet mot exprimentiella resultat, det finns dock inuläget ingna experimentiella resultat att validera resultaten emot därav skulle det vara bra omdetta projekt även genomfördes experimentiellt. Det skulle även vara bra om de härsimuleringarna genomfördes igen men baserat på en geometri från en annan vattenkraftsdam föratt se om resultaten skulle skilja sig om en annan geometri används.