Analysis of hydrodynamic forces on high-head slide gates using CFD

Abstract

Coefficients that can be applied to current analytical expressions that predict the hydrodynamic forces and, particularly, the downpull phenomenon on an inverted 30° lip gate at a bottom outlet of a dam, were determined from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. Two slide gates were simulated: A typical 45° lip used for model validation and the inverted 30° lip. These simulations made use of the VOF (Volume Of Fluid) multiphase model, embedded in the commercial software ANSYS FLUENT, to simulate the air and water interaction in the free surface flow downstream of the gate. The CFD predictions were successfully validated against those by analytical expressions that related the water discharge through the gate and the gate opening at a fixed reservoir head. The predicted downpull was in agreement with that obtained from analytical expression for the well-studied 45° lip gate. Through the validated CFD simulation it was possible to determine the coefficients for the analytical calculation of downpull on the inverted 30° gate, which were not available in the state-of-the-art analytical expressions. The methodology here described can easily be applied to different gate geometries for which design coefficients are not available.

Resumen: Los coeficientes aplicables a las expresiones analíticas actuales que predicen las fuerzas hidrodinámicas y, en particular, el fenómeno de “downpull” en una compuerta de labio invertida de 30° en una descarga de fondo de una gran presa, se determinaron a partir de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD). Se simularon dos compuertas deslizantes: una con labio típico de 45° utilizado para la validación del modelo y una con labio invertido de 30°. Estas simulaciones hicieron uso del modelo multifase VOF (Volumen de Fluido), disponible en el software comercial ANSYS FLUENT, para simular la interacción de aire y agua en el flujo de superficie libre aguas abajo de la compuerta. Las predicciones de CFD fueron validadas con las expresiones analíticas que relacionan la descarga de agua a través de la compuerta dada la posición y la presión hidrostática. El downpull encontrado estaba de acuerdo con el obtenido a partir de la expresión analítica para la compuerta de labio inferior de 45°. A través de la simulación CFD validada fue posible determinar los coeficientes para el cálculo analítico de downpull en la compuerta con labio invertido de 30°, que no estaban disponibles en las expresiones analíticas disponibles. La metodología aquí descrita se puede aplicar fácilmente a diferentes geometrías de compuertas para las cuales los coeficientes de diseño no están disponibles.