SIMULATIONS AVEC ANSYS EN OUVRAGES HYDRAULIQUES

SIMULATIONS AVEC ANSYS EN OUVRAGES HYDRAULIQUES

Samuel [email protected]

Lausanne, 2019

- 16ÈME FORUM CADFEM & ANSYS -

mailto:[email protected]

9/24/2019 216e FORUM CADFEM & ANSYS | Lausanne | PL-LCH | EPFL |

Motivation

• Réservoirs alpins sujets à la sédimentation

• Flux entrants de sédiments principalement composés de sédiments fins

• Risques:‐ Blocage de la vidange de fond (sécurité du barrage)

‐ Abrasion des turbines

‐ Perte de volume utile

‐ Blocage des prises d’eau

Räterichsboden, KWO Tourtemagne, ALPIQGiétroz du Fond

Prise d’eau sur vidange de fondDilution avec opération de pompage

Déposition de sédiment

© Pedro Manso

CHAMPS D’ÉCOULEMENT ET PROCESSUS DE SÉDIMENTATION DANS LES RÉSERVOIRS PROFONDS | COMPORTEMENT SISMIQUE DU BARRAGE-POIDS DE PINE FLAT


Motivation

• Solution idéale‐ Maintient de la continuité des écoulements sédimentaires

‐ Transfert des sédiments à travers le réservoir

• Réservoirs avec faibles flux annuels entrants‐ Ecoulements induits par le vent et les opérations suffisants

• Réservoirs avec des flux entrants relativement importants‐ Mesure additionnelles obligatoires

Morrobbia

Gebidem

→ Opérations de purge et vidange: une des mesures les plus communes pour libérer les dépôts dans les réservoirs alpins



Motivation

• Impacts négatifs sur les écosystèmes avals

• Implications pour les opérations hydroélectriques

• Challenge pour les opérateurs: ‐ Limitation de l’utilisation d’eau

‐ Distributions de la taille des grains et concentrations

‐ Taux / Timing / Localisation adéquats

Preda, KHR Solis, EWZSolis, EWZ Raeterichsboden, KWO

Ecoulements chargés en sédiments:

G. De Cesare (2015)



Méthodes innovatives (EPFL PL-LCH)

Dans le réservoir Au niveau du barrage

Forced stirring(SEDMIX)

Venting of turbidity currentsthrough bottom outlets, on the wake of floods

Operational stirring

(inlet/outlet interplay)

Routingthrough the power

waterways

Sans pertes d’eau Avec pertes d’eau

Depuis la conception (HPP expansion)

Amélioration (life cycle)

Depuis la conception (greenfield / brownfield)



Modélisation numérique

ANSYS CFX v.18

Réservoirs profonds

Processus de sédimentation

Hydrodynamique



Modélisation numérique

• Modèle simplifié:‐ Réservoirs rectangulaires profonds (250x500x85 m, D=4m)

‐ 4 configurations de position relative d’entrée/sortie

‐ Ouvrages d’entrée/sortie situés à mi-hauteur

• Simulations:‐ Eau claire

‐ Sédiments suspendus (dm = 4μm)

• Maillage:‐ Eléments triangulaires (courbure fine)

‐ Raffinement (sizings and inflation layers)

• Comportements sédiments suspendus:‐ Modèle multiphase inhomogène Eulérien (Particle model)

‐ Schiller Naumann (drag force)

Configuration 1 (C-C) Configuration 2 (R-C)

Configuration 3 (R-L) Configuration 4 (R-R)



Operational stirring



Lignes d’écoulement

• Influence de la position relative des ouvrages d’entrée/sortie



Champs d’écoulement: hauteurs des jets

• Différence en fonction de la position relative des ouvrages d’entrée/sortie



Champs d’écoulement: proche du fond

• Différence en fonction de la profondeur



Champs d’écoulement: hauteur des jets

• Influence de la présence de sédiments fins suspendus



Niveaux de turbulence

• Corrélation entre la disposition des dépôts de sédiments et le taux de dissipation d’énergie cinétique de turbulence



Niveaux de turbulence

• Influence de la position relative des inlets / outlets sur les niveaux de turbulence

• Influence des sédiments sur les niveaux de turbulence:‐ Modification au niveau des valeurs pour κ

‐ Modification du comportement pour ε

Configuration 1: C-C Configuration 2: R-C Configuration 3: R-L Configuration 4: R-R



Conclusion

• Champs d’écoulement:‐ Position relative des ouvrages d’entrée/sortie

‐ Dépendent de la profondeur du réservoir

• Présence des sédiments:‐ Hydrodynamique

‐ Niveaux de turbulence

• Champs de déposition des sédiments Taux de dissipation d’énergie cinétique turbulente

→Grand champ de recherche en perspective

→Concepts pris en compte dès la conceptionConception

Economie

Critères techniques

Durabilité Environ-nement

Social



Barrage-poids de Pine Flat (USA)

• Calcul structurel avec interactions fluide-structure (FSI)

• Barrage:‐ 37 monolithes

‐ Longueur crête: 561 m

‐ Focus sur le plus grand monolithe sans déversoir

• Corps du barrage:‐ Hauteur: 121.91 m

‐ Largeur à la base: 95.8 m

• Fondation: ‐ 700x122 m



Modèle numérique

• Corps du barrage et fondation:‐ Éléments à déformations planes

quadrilatéraux (PLANE182)

‐ Deux degrés de liberté par nœud (ux et uy)

• Réservoir:‐ Eléments acoustiques (FLUID29)

‐ Un degré de liberté par nœud (P)

‐ FSI: ux et uy en DDL supplémentaires

• Conditions de bord et interfaces:‐ ABC à l’amont du réservoir

‐ Pres = 0 sur la surface libre

‐ Ressorts visqueux autour de la fondation

‐ Interfaces: FSI et Tied

• Méthode d’intégration sur le temps:‐ Implicit dynamic HHT-α algorithm



Paramètres des matériaux

• Analyse linéaire:‐ Corps du barrage et fondation: milieux isotropes et homogènes, propriétés linéaires élastiques

‐ Réservoir: incompressible et non-visqueux

• Analyse non-linéaire‐ Corps du barrage:

▪ Propriétés non-linéaires du béton

▪ Raffinement du maillage

‐ Modélisation du dommage:▪ Modèle couplé dommage-plasticité basé sur la

formulation microplane *

▪ Différencie le comportement en tension et compression (critères d’initiation et loi d’évolution)

▪ Conditions cycliques:

I. Récupération de la rigidité perdue par fissuration lors de la transition de traction à compression

II. Dommage subis en compression subsistent lors de la transition de compression à traction

*Zreid I., Kaliske M. (2018). A gradient enhanced plasticity-damage microplane model for concrete. Computational Mechanics, Vol. 62(15).

• Critère de défaillance locale: DMG=1

• Critère de rupture du barrage: larges ε



Cas de charge

• Charges statiques: ‐ Gravité (corps du barrage et réservoir)

‐ Pression hydrostatique (interface réservoir-barrage et réservoir-fondation)▪ Winter Reservoir Water Level (WRWL)

▪ Summer Reservoir Water Level (SRWL)

• Charges dynamiques‐ Sollicitation harmonique

▪ Appliquée à la crête du barrage

‐ Sollicitation sismique (Taft Record)▪ Appliquée à la base de la fondation

‐ Sollicitation conçue artificiellement (Endurance Time Acceleration Function ETAF)▪ Appliquée à la base de la fondation

• Charges thermiques négligées



Résultats – Propriétés dynamiquesW

RW

LSR

WL



Résultats – Analyse linéaire: sollicitation harmonique


WRWL SRWL

→Reproduction correcte des propriétés dynamiques

→Confirmation du comportement du modèle


Résultats – Analyse linéaire: Taft record


WRWL SRWL


Résultats – Analyse linéaire: Taft record with massless foundation


WRWL SRWL


Résultats – Analyse non-linéaire


TAFT ETAF


Résultats – Analyse non-linéaire: Taft



Résultats – Analyse non-linéaire: ETAF



3D: Geometry of full reservoir

• The goal is to take into account• the real 3D geometry of the dam and foundation (valley)

• the geometry of the reservoir for a better description ofthe hydrodynamic pressure on the dam. With acoustic elementin the model, a better description of the reservoir is geometricallydoable and even computationally possible.



Modal Analysis of full model

• Waterlevel: 268.21 m asl (WRWL)

• Interaction fluid-structure:• Dynamic Pressure for mode 2 at 3.67 Hz

WL268.21m WL278.57m

2.79 Hz 3.67 Hz 4.49 Hz 2.67 Hz 3.57 Hz 4.23 HzMode 1: 2.79 Hz Mode 2: 3.67 Hz Mode 3: 4.49 Hz



Conclusion

An extended 3D model including the whole shape of the reservoir allows study 3D effects due to the reservoir and the valley shape. Comparison between 2D and 3D analysis:

• They show that 3D modes have their frequencies in the same range than a 2D model.

• As to be expected, the eigenfrequencies of the 3D model are found to be higher than the ones of the 2D model.

• 3D modeling and computing is nowadays easily possible and allows show more realistic behaviors of dams and reservoirs.

Configuration Water

level

Mode 1

[Hz]

Mode 2

[Hz]

Mode 3

[Hz]

Mode 4

[Hz]

[1] E Foundation = E dam empty ~2.50 ~3* ~4* ~5*

290.00 ~2.06 ~2.5* ~3* ~4*

[2] E Foundation = E dam empty 2.56

290.00 2.04

2D analysis (block no. 16) empty 2.52 5.26 5.76 8.87

268.21 2.31 3.47 4.02 5.01

278.57 2.20 3.19 3.82 4.93

290.00 2.06 2.96 3.67 4.83

Full 3D analysis empty 2.99 3.82** 4.61** 5.10**

268.21 2.79 3.67** 4.49**

278.57 2.67 3.57** 4.23**

290.00 2.48 3.35** 4.15** 4.91**

*: a significant dispersion of results is observed; the proposed value is averaged.

**: three dimensional modes.

1. DSO-19-13: Evaluation of Numerical Models and Input Parameters in the

Analysis of Concrete Dams – USSD Workshop in Miami on May 3, 2018.

The report prepared by the Bureau of Reclamation, December 2018.

2. Løkke A. and Chopra A. K. (2013). Response Spectrum Analysis of

Concrete Gravity Dams Including Dam-Water-Foundation Interaction.

PEER 2013/17



Remerciements et références sélectionnées

[email protected]

• MANSO P., VORLET S. L., GUILLÉN LUDEÑA S., DE CESARE G., STAMM J., SCHWEGER B., FANKHAUSER A. “Evolution of reservoir flushing and emptying practices in a cascade of large reservoirs across several decades”,

Hydro 2018 – progress through partnerships, Gdansk, 2018

• DE CESARE G., MANSO P., CHAMOUN S., GUILLÉN-LUDEÑA S., AMINI A., SCHLEISS A. J. “Innovative methods to release fine sediments from seasonal reservoirs ». ICOLD Congress Vienna 2018 July 2-8., Question 100.

• AMINI, A., MANSO, P., VENULEO, S., LINDSAY, C., LEUPI, C., SCHLEISS, A.J. Computational hydraulic modelling of fine sediment stirring and evacuation through the power waterways at the Trift reservoir. In Proc. Hydro

2017, Seville, Spain

• CHAMOUN, S., DE CESARE, G. and SCHLEISS, A.J. Managing reservoir sedimentation by venting turbidity currents: a review. International Journal of Sediment Research, 31(3), pp. 195-204, 2016

• CHAMOUN, S., DE CESARE, G. and SCHLEISS, A.J. Venting turbidity currents for the sustainable use of reservoirs. International Journal on Hydropower and Dams, 23(5), pp.64–69, 2016

• GUILLÉN-LUDEÑA, S., MANSO, P.A., & SCHLEISS, A. J. Fine sediment routing in a cascade of alpine reservoirs: Influence of the inlet angle on settling of fine sediments. In Proc. Hydro 2017, Seville, Spain.

• JENZER-ALTHAUS J., DE CESARE G., and SCHLEISS A. J. Sediment Evacuation from Reservoirs through Intakes by Jet-Induced Flow. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 141/2, 2015

• MÜLLER, M., DE CESARE, G. and SCHLEISS, A.J. Experiments on the effect of inflow and outflow sequences on suspended sediment exchange rates. International Journal of Sediment Research, 32(2), pp.155–170, 2017

• OEHY, Ch. and SCHLEISS, A.J. Control of turbidity currents in reservoirs by solid and permeable obstacles. J. Hydr. Engrg. 133, 637-648, 2010

• SCHLEISS, A. J., FRANCA, M. J., JUEZ, C., and DE CESARE, G. Reservoir sedimentation. Journal of Hydraulic Research, 54(6), 595–614, 2016

• GUILLEN LUDENA, S., MANSO, P., & SCHLEISS, A.J. Multidecadal Sediment Balance Modelling of a Cascade of Alpine Reservoirs and Perspectives Based on Climate Warming. Water. 10(12), 17-59, 2018

• VORLET, S., MANSO, P., DE CESARE, G. Seismic behavior of Pine Flat concrete gravity dam using microplane damage-plasticity model, 15th International Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams, Milan, September 2019, Proceeding…(in press), 2019


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