Hydraulic performance of stepped spillway aerators and related downstream flow features

339 Pages·2016·18.04 MB·English

by  Stéphane Terrier

LCH Laboratoire de Constructions Hydrauliques
Laboratory of Hydraulic Constructions

Communication 63

Hydraulic performance of stepped
spillway aerators and related
downstream flow features
Stéphane Terrier
Editeur : Prof. Dr A. Schleiss Lausanne, 2016
Communications du Laboratoire de Constructions Hydrauliques ISSN 1661-1179
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Editeur: Prof. Dr A. Schleiss

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Monitoring of steel-lined pressure shafts considering water-hammer
wave signals and fluid-structure interaction
Preface
Rollercompactedconcretegravitydamsarebuiltsinceseveraldecades. Incombinationwithsuch
dams stepped spillways are very often used as efficient flood release structures. More recently
steppedspillwaysarealsoexcavatedintorockalongtheabutmentsofembankmentdams. Overthe
lastyearsthespecificdesigndischargeoversteppedspillwayshasincreasedsignificantly. Specific
dischargehigherthan30m3/smforskimmingflowregimearenotrareanymore. Forsuchhigh
specificdischargesriskofcavitationmayoccuratthebeginningofthesteppedchute. Thisriskcan
bemitigatedbyimplementinginthefirststepofthesteppedchuteaspeciallydesignedaerator.
Inordertopreparedesignguidelinesforsuchaerators,Dr.StéphaneTerriercarriedoutforthefirst
timeasystematicexperimentalstudyregardingthehydraulicperformanceofadeflectoraerator
byvaryingthechuteangle,thestepheight,theapproachflowFroudenumber,theapproachflow
depth,thedeflectorangleaswellasthedeflectorheight. Hesystematicallyanalyzedthelowerand
uppersurfacesofthejetissuedbythedeflectorandcouldderiveempiricalequationsforthelower
and upper effective takeoff angles. Together with an equation to obtain the takeoff velocity, the
candidatecouldthendescribethelowerandupperjetsurfaceswithballisticequations. Thenthe
maximumjetelevation,thejetlengthandthejetimpactangleonthepseudo-bottomcanthenbe
obtained,whicharethemostimportantparameterstopredicttheaeratorperformance. Dr.Terrier
demonstratedthattheairentrainmentcoefficientoftheaeratorcouldbederivedfromtherelativejet
length. Finally,heproposedanempiricalrelationship,whichallowsobtainingtheairentrainment
coefficientasafunctionoftheFroudenumberandthedeflectorgeometry. Asmainresult,hegives
relationsestimatingtheaverageandbottomairconcentrationsatsignificantlocationsalongtheflow,
provingasufficientvaluetocountercavitation. WiththisinformationDr. Terriercouldpresentfor
thefirsttimeaprocedureforthedesignofasteppedspillwayaerator.
Wewouldliketothankthemembersofthejury,Prof.MarkusAuflegerfromUniversityofInnsbruck,
Austria,Prof.WilliHagerfromVAW–ETHZurich,SwitzerlandandProf.JorgesMatosfromIST
Lisboa,Portugalfortheirhelpfulsuggestions. Finally,wealsothankgratefullytheSwissNational
ScienceFoundationprojectNos.200021_137572/1and200020_159967/1,aswellastheLombardi
Foundationforthesupportoftheresearchproject.
Prof.Dr.AntonSchleiss Dr.MichaelPfister
i

Abstract
Toprotectspillwaysagainstcavitationdamage,addingasmallairconcentrationtotheflowcloseto
theinvertisefficient. Aeratorperformanceonsmoothchuteswasthereforewellstudiedintermsof
airentrainmentanddownstreamairconcentrationdevelopment. Sincebottomaeratorsarebuilt
upstreamofregionsexposedtocavitation,nodamageshavebeenobservedonspillways.
The introduction of roller compacted concrete (RCC) dams in the 1980s promoted the use of
steppedspillwaysrarelyuseduntilthen. Comparedtoconventionalsmoothspillways,theyhavethe
advantageofahigherenergydissipationrate,andofaself-aerationpointlocatedhigherupstream.
However,thenon-aeratedflowupstreamoftheinceptionpointisexposedtoanincreasedcavitation
riskduetoflowseparationonthesteps. Untilrecently,theuncertaintyabouttheconditionsrequired
forcavitationinceptionmotivatedconservativeunitdischarges. Today,thecavitationpotentialon
steppedspillwaysisbetterknownandissignificant,sothattechniquesarenecessarytosafelyuse
steppedspillwaysunderincreasedunitdischarges.
Thisresearchincludesaphysicalmodelinvestigationofadeflectoraeratoronasteppedspillway.
Thekeyparametersinfluencingaeratorperformanceandsteppedspillwayflowaresystematically
varied. Theseare: (i)thechuteangle,(ii)thestepheight,(iii)theapproachflowFroudenumber,
(iv)theapproachflowdepth,(v)thedeflectorangle,and(vi)thedeflectorheight. Largesectionsare
usedintheairsupplysystemtokeepthecavitysubpressurenearatmosphericconditionsandthus
obtainoptimalaeratorperformance. Theairconcentrationdownstreamoftheaeratorismeasured
atregularlyspacedprofilesbymeansofafiberopticalprobe.
Theflowfielddownstreamofthesteppedspillwayaeratorcanbedescribedinthreemainzones: (i)
thejetzonewhereairisentrainedontheloweranduppersurfaces,(ii)thesprayandreattachment
zonewheresprayisproducedbythejetimpactandwheretherearerapidvariationsoftheaverage
andbottomairconcentrations,and(iii)thefar-fieldzonewheretheflowdepthaswellastheaverage
andbottomairconcentrationsgraduallytendtowardsquasi-uniformconditions.
Theloweranduppersurfacesofthejetissuedbythedeflectorwereconsideredtoderivetheeffective
takeoffangles. Withthetakeoffvelocity,itallowstodescribethelowerandupperjetsurfaceswith
ballistictrajectories. Themaximumjetelevation, thejetlength, andthejetimpactangleonthe
pseudo-bottomcanthenbedetermined.
Similarlytosmoothspillways,theairentrainmentcoefficientoftheaeratorisdescribedasafunction
oftherelativejetlength. Besides,arelationfortheairentrainmentcoefficientinfunctionofthe
iii
Abstract
Froudenumberandthedeflectorgeometryispresented. Theaverageandbottomairconcentration
developmentsshowaminimumshortlyafterthejetimpact,followedbyamaximuminthespray
zone. Theseextremaarequantifiedandarerelatedtotherelativejetlength. Inthefar-fieldzone,
unlikesmoothchutes,nocontinuousdetrainmentisobservedforthebottomairconcentration. Both
theaverageandthebottomairconcentrationsgraduallyconvergetoquasi-uniformflowvalues.
Testswithanincreasedapproachflowbottomroughnessshowedalargeincreaseofairentrainment
duetothehigherflowturbulence,butonlysmallaverageandbottomairconcentrationdifferences
downstreamofthejetimpactresult. Apre-aeratedapproachflowleadstoslightlyhigheraverage
andbottomairconcentrationsdownstreamoftheaerator.
Thedesignofasteppedspillwayaeratorispresentedintheendtosummarizetheresultsobtained
andtheirpracticalapplication.
Keywords: Aeration,Aerator,Airconcentration,Airentrainment,Cavitationprotection,Deflector,
Hydraulicstructures,Jet,Physicalmodel,Skimmingflow,Steppedchute,Steppedspillway
iv
Résumé
Pourprotégerlesévacuateursdecruededommagesdusàlacavitation,l’ajoutd’unefaibleconcen-
trationd’airprochedufondestefficace.Laperformancedesaérateurssurdesévacuateursàfond
lisseadoncétéabondammentétudiéeentermesd’entraînementd’airetdedéveloppementdela
concentrationd’airàl’aval.Depuisquelesaérateursdefondsontconstruitsàl’amontdesparties
exposéesàlacavitation,aucundommagen’aétéobservésurlesévacuateursdecrue.
L’émergencedesbarragesenbétoncompactéaurouleau(BCR)danslesannées1980afavorisé
l’utilisation des évacuateurs en marches d’escalier rarement utilisés auparavant. Comparés aux
évacuateurs conventionnels lisses, ils offrent l’avantage d’un taux de dissipation d’énergie plus
élevé,etundébutd’aérationsuperficiellesituéplusenamont.Cependant,l’écoulementnon-aéré
à l’amont du point initial est exposé à un risque de cavitation plus élevé dû au détachement de
l’écoulementlelongdesmarches.Jusqu’àrécemment,l’incertitudequantauxconditionsnécessaires
pourl’apparitiondelacavitationamenéàundimensionnementd’évacuateursenmarchesd’escalier
avecdesdébitsspécifiquesconservateurs.Aujourd’hui,lepotentieldecavitationsurlesévacuateurs
enmarchesd’escalierestmieuxétablietdestechniquessontnécessairespouraccroîtrelesdébits
spécifiquesdemanièresûre.
Cetterechercheinclutl’étudesurmodèlephysiqued’unaérateurcomprenantundéflecteursurun
évacuateurenmarchesd’escalier.Lesparamètresclésinfluençantlaperformanced’unaérateuret
l’écoulementsurunévacuateurenmarchesd’escaliersontsystématiquementvariés.Cesparamètres
sont:(i)l’angleducoursier,(ii)lahauteurdemarche,(iii)lenombredeFroudedel’écoulement
d’approche,(iv)lahauteurd’eaud’approche,(v)l’angledudéflecteuret(vi)lahauteurdudéflecteur.
Degrandessectionssontutiliséesdanslesystèmed’approvisionnementenairafindemaintenirune
sous-pressiondanslacavitésouslejetprochedesconditionsatmosphériques,etainsiobtenirune
performanceoptimaledel’aérateur.Laconcentrationd’airàl’avaldel’aérateurestmesuréeàdes
profilsrégulièrementespacésparunesondeàfibreoptique.
L’écoulement à l’aval de l’aérateur sur évacuateur en marches d’escalier peut être décrit selon
trois zones : (i) la zone du jet où l’entraînement d’air se produit sur les surfaces inférieure et
supérieure,(ii)lazonedesprayetderé-attachement oùlesprayestengendréparl’impactdujetet
oùlesconcentrationsd’airmoyenneetaufondvarientrapidement,et(iii),lazonelointaineoùla
hauteurd’eauainsiquelesconcentrationsd’airmoyenneetaufondtendentgraduellementversdes
conditionsquasi-uniformes.
v
Résumé
Lessurfacesinférieureetsupérieuredujetengendréparledéflecteursontanalysées,etdeséquations
sontétabliespourlesanglesd’envolinférieuretsupérieur.Celapermet,àl’aided’uneéquation
pour obtenir la vitesse d’envol, de décrire les surfaces inférieure et supérieure du jet par des
trajectoiresbalistiques.Lahauteurmaximaledujet,lalongueurdujetetl’angled’impactdujetsur
lepseudo-fondpeuventalorsêtredéterminés.
Defaçonsimilaireauxévacuateurslisses,lecoefficientd’entraînementd’airdel’aérateurestdécrit
en fonction de la longueur relative du jet. De plus, une équation pour déterminer le coefficient
d’entraînementd’airenfonctiondunombredeFroudedel’écoulementd’approcheetdelagéométrie
dudéflecteurestprésentée.Lesconcentrationsmoyenneetaufondmontrentunminimumpeuaprès
l’impactdujet,suivid’unmaximumdanslazonedespray.Cesextrêmessontquantifiésetsontliés
àlalongueurrelativedujet.Contrairementauxévacuateurslisses,danslazonelointaine,aucun
détraînementcontinueln’estobservépourlaconcentrationd’airaufond.Autantlaconcentration
moyennequelaconcentrationaufondconvergentgraduellementversleurvaleurenécoulement
quasi-uniforme.
Desexpériencesavecunfondplusrugueuxdanslazoned’approchemontrentunegrandeaugmen-
tationdel’entraînementd’airdueàuneturbulenceplusélevéedel’écoulement,maisseulementde
faiblesdifférencesrésultentdanslesconcentrationsd’airmoyenneetaufondàl’avaldel’impact
dujet.Unécoulementpré-aérémèneàdesconcentrationsd’airmoyenneetaufondplusélevéesà
l’avaldel’aérateur.
Unexemplededimensionnementrésumantlesrésultatsobtenusestdonnéàlafinpourmontrerleur
applicationpratique.
Mot-clés:Aération,Aérateur,Concentrationd’air,Déflecteur,Déversoirenmarchesd’escaliers,
Entraînementd’air,Évacuateurenmarchesd’escaliers,Jet,Modèlephysique,Ouvragehydraulique,
Protectioncontrelacavitation
vi
Contents
Preface i
Abstract iii
Résumé v
Contents vii
ListofSymbols xiii
1 Introduction 1
1.1 Problemoutline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Steppedspillwayaerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Structureofthereport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 LiteratureReview 7
2.1 Steppedspillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Non-aeratedflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Inceptionpointoffree-surfaceaeration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.4 Aeratedflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.5 Quasi-uniformflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.6 Airconcentrationprofiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.7 Pressureonthesteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.8 Controlsectionandtransitionsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.9 Flowvelocityprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.10 Frictionfactorandenergydissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.11 Stepsurfaceroughnessandmacro-roughnesselements . . . . . . . . . . . 21
2.1.12 Air-waterflowproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.13 Lateralconstriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
vii
Contents
2.2.2 Cavitationdamagesandprevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Cavitationpotentialonsteppedchutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Smoothchuteaerators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Airentrainmentcoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Aeratorjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.4 Airtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Steppedchuteaerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.1 Deflectoraerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.2 Stepaerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3 Comparisonofsteppedchuteaerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3 Experimentalsetup 49
3.1 Channeldescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Jetbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.2 Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Aeratordesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Dimensionalanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Parametersandtestprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1 Fiberopticalprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 Automaticpositioningsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.3 Flowmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.4 Anemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.5 Pressuretransducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.6 Pointgauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.7 Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.8 Observedjetlength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 Testprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Scaleeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4 Referencetests 69
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Inceptionpointofself-aerationcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Flowdepthdevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4 Averageairconcentrationdevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 Bottomairconcentrationdevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.6 Airconcentrationprofiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Aeratortests 83
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
viii