ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ КІНЕМАТИЧНОЇ СТРУКТУРИ ПОТОКУ В НИЖНЬОМУ Б’ЄФІ НИЗЬКОНАПІРНИХ ГІДРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ
DOI:
https://doi.org/10.32347/2524-0021.2025.52.81-89Ключові слова:
гідротехнічні споруди, кінематична структура потоку, нижній б’єф, низьконапірні гідроелектростанції, швидкісне поле, чисельне моделюванняАнотація
Анотація. У статті розглядається актуальність чисельного моделювання кінематичної структури потоку у нижньому б’єфі низьконапірних гідроелектростанцій як інструмента підвищення надійності та безпеки експлуатації в умовах екстремальних паводкових подій. Запропоновано підхід до тривимірного чисельного моделювання на прикладі Нижньодністровської ГЕС для режиму пропуску паводкової витрати із забезпеченістю 0,1%. Методика поєднує повномасштабне відтворення геометрії гідровузла, опис вільної поверхні методом об’ємної частки рідини та застосування перевірених турбулентних моделей у середовищі OpenFOAM. Розрахункова постановка охоплює характерні режими роботи затворів, що дозволяє відтворити реалістичну просторово-часову картину течії. Просторову структуру швидкісного поля проаналізовано у п’яти поперечних перерізах, восьми поздовжніх перерізах та на п’яти глибинних рівнях, що дозволило побудувати карти швидкісних полів, ідентифікувати ділянки локальних змін інтенсивності руху, простежити розвиток рециркуляцій і планову нерівномірність струменя, а також окреслити зони потенційної концентрації навантажень, небезпечні для берегових і руслових укріплень. Верифікацію моделі здійснено шляхом порівняння з результатами лабораторних досліджень Нижньодністровської ГЕС для того самого рівня забезпеченості, що підтвердило достовірність моделі за діапазонами швидкостей у характерних перерізах і закономірностями їхнього згасання за течією. Інтеграція трьохвимірного чисельного моделювання у стандартні гідротехнічні розрахунки розширює можливості інженерного аналізу: забезпечує обґрунтований вибір схем маневрування затворів, сприяє завчасному виявленню зон потенційної концентрації гідродинамічних навантажень, підвищує якість прогнозу руслових деформацій і, як наслідок, рівень експлуатаційної безпеки споруд. Отримані результати можуть бути використані для уточнення режимів пропуску паводків і планування моніторингу в нижньому б’єфі.
Посилання
Novak, P., Moffat, A. I. B., Nalluri, C., & Narayanan, R. (2017) Hydraulic Structures. 4th ed. London; New York: Taylor & Francis (CRC Press/Routledge). ISBN 978-0-415-38625-8
Riabenko, О. А. (2024). Hydropower plants in special natural and climatic conditions: manual. NUWEE. ISBN 978-966-327-595-6 [in Ukrainian]
Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge Scour. Highlands Ranch (USA): Water Resources Publications. ISBN-13: 978-1-887201-18-6
Ferziger, J.H., Perić, M., & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Berlin: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-99693-6
Olsen, N. R. B. (2001) CFD modelling for hydraulic structures: class notes. Trondheim: Department of Hydraulic and Environmental Engineering, NTNU. 37 p. ISBN 82-7598-048-8
Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Harlow: Pearson Education, 520 p. ISBN-13: 978-0-13-127498-3
Weller, H.G., Tabor, G., Jasak, H., & Fureby, C. (1998). A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Computers in Physics, 12(6). 620–631. https://doi.org/10.1063/1.168744
Mitov, A., Nikolov, N., Nedelchev, K., & Kralov, I. (2024). CFD Modeling and Experimental Validation of the Flow Processes of an External Gear Pump. Processes, 12(2), 261. https://doi.org/10.3390/pr12020261
Chanson, H. (2004). Hydraulics of Open Channel Flow. Amsterdam: Elsevier, 650 p. ISBN-13: 978-0-7506-5978-9
Andersson, B., Andersson, R., Håkansson, L., Mortensen, M., Sudiyo, R., & van Wachem, B. (2012). Computational Fluid Dynamics for Engineers. Cambridge (UK): Cam-bridge University Press. https://doi.org/10.1017/cbo9781139093590
Jasak, H. (1996). Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Ap-plications to Fluid Flows (PhD thesis). London: Imperial College London. Retrieved from http://hdl.handle.net/10044/1/8335
OpenFOAM: User Guide v2112. InterFoam [Electronic resource]. OpenCFD Ltd. Regime of access: https://www.openfoam.com/documentation/guides/latest/doc/guide-applications-solvers-multiphase-interFoam.html (date of the application: 30.10.2025). Header from the screen
Riabenko, O. A., Popruha, P. V. & Pop-lavskiy, D. M. (2025). Mathematical modeling of hydraulic flow regimes in low-head hydro-power plants using the Saint-Venant equations. Modeling, Control and Information Technologies: Proceedings of International Scientific and Practical Conference. 7, 110–113. https://doi.org/10.31713/mcit.2024.029 [in Ukrainian]
Popruha, P. V. & Poplavskiy, D. M. (2025). Numerical modelling of the downstream reach of the low-head hydropower plants during design flood passage. Municipal Economy of Cities. Series: Information Technologies and Engineering. 4(192). 318-323. https://doi.org/10.33042/3083-6727-2025-4-192-318-323 [in Ukrainian]
Peterka, A. J. (1984). Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators (Engineering Monograph No. 25). U.S. Bureau of Reclamation.
Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., & López-Jiménez, P.A. (2016). Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environmental Model-ling & Software, 80, 322–335. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.018
Valero D., Viti N., & Gualtieri C. (2019). Numerical simulation of hydraulic jumps. Part 1: Experimental datasets and baseline model-ling. Water, 11(1):36. https://doi.org/10.3390/w11010036
Hirt, C. W., & Nichols, B. D. (1981). Volume of Fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
Launder, B.E., & Spalding, D. B. (1974). The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3(2), 269–289. https://doi.org/10.1016/0045-7825(74)90029-2
PJSC UKRHYDROPROJECT (1984). Model studies of flood routing through the hydraulic structure of the buffer reservoir of the Dniester cascade of hydroelectric power plants. Research report (final). [in Ukrainian]
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Павло Попруга
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
a) Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи, яка через 70 років після смерті останнього співавтора з дати публікації автоматично стає доступною на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
b) Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
c) Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
