CFD and data-driven modeling for safe spillway discharge

A spillway is a crucial dam structure that regulates water levels and prevents the dam from overtopping. The majority of the dams in the world were constructed before the 1980s. Compared to the current design flood standards, many spillways are undersized, e.g., in Sweden. The higher floods also change the air-water flow properties, giving rise to risks in spillway operations. High-velocity flow is a major concern in spillway design. If the flow rate exceeds 20 m/s, there is a risk of cavitation. Another issue connected with the increased floods is energy dissipation. Many existing energy-dissipating arrangements are insufficient or constructed only for a design flood standard at the time of dam construction. To this end, it is essential to assess the discharge behaviors of spillways, including discharge capacity, two-phase flow features, energy dissipation, cavitation, etc. Engineering solutions for improved hydraulic performance are also critical to ensure safe operation. This thesis focuses on CFD and data-driven modeling for safe spillway discharge, presenting new insights into spillway hydraulics, improved methods for accurate flow predictions, and structural modifications for better hydraulic performance. The research consists of five parts. (1) For discharge estimation, ensemble learning models are established to forecast the river flows, aiming to provide accurate inflow information, even multiple days ahead. To directly assess spillway discharge capacity, three data-driven models are constructed, which yield accurate flow predictions and outperform empirical correlations. (2) For modified designs, several unconventional step layouts are conceived, with their hydraulic behaviors investigated. The modified configurations include steps with chamfers and cavity blockages and inclined steps. The goal is to devise engineering solutions to enhance energy dissipation and reduce cavitation risks. (3) For improved two-phase flow modeling, a population balance model i
Ett utskovsparti är en viktig del av en dammanläggning eftersom det reglerar avbördning och uppströmsvattenstånd samt förhindrar överströmning. Majoriteten av vattenkraftsdammarna i världen byggdes före 1980-talet och i förhållande till gällande dimensionerande kriterier är många befintliga utskov underdimensionerade. Ökad avbördning förändrar också luftinblandningsproblematiken i vattenvägen, vilket ger upphov till risker relaterade till utskovens funktion. Hög vattenhastighet vid avbördning är ett bekymmer vid utformning av vattenvägen. Om hastigheten överstiger 20 m/s finns risk för kavitation, vilket är ett problem som påverkar många dammar i Sverige. En annan frågeställning kopplad till ökad utskovsavbördning är energiomvandling. Många befintliga energiomvandlare är otillräckliga eller endast utformade för en lägre dimensionerande standard, giltig då dammarna byggdes. För att rätta till dessa problem är det nödvändigt att noggrant utvärdera avbördningsegenskaperna hos utskov, inklusive avbördningskapacitet, tvåfasströmning, energiomvandlingsfunktion, kavitation, etc. Tekniska lösningar för förbättrad hydraulisk prestanda är också avgörande för att garantera säker drift av dammanläggningar. Med fokus på CFD och datadrivna metoder baserade på nya insikter i avbördningsmodellering presenteras i denna avhandling förbättrade metoder för prediktering av utskovsströmningar och föreslag på strukturella anpassningar för ökad hydraulisk prestanda. Forskningen består av fem delar. (1) För uppskattning av flöden i en älv upprättas olika maskininlärningsmodeller. Syftet är att tillhandahålla korrekta inflödesuppgifter, även på flera dagars sikt. För att bestämma avbördningskapacitet hos utskov utvecklas tre datadrivna modeller vilka ger flödesprognoser som överträffar de som kan fås med empiriska korrelationer. (2) För att förbättra hydrauliska beteenden undersöks flera okonventionella utformningar hos s.k. "stepped spillways", i vilka ingår steg med avfasning, hålrumsbloc
QC 20230516