A chute spillway is a typical component of large dams for discharging floods. Because of the high water head, the flow velocity in the chute is often in excess of 20 m/s. Consequently, the structure is usually prone to cavitation damages. Flow aeration is evidenced to efficiently eliminate or to mitigate the damages. An aerator is a device that entrains air into the water flows and is an effective technical measure to counter the cavitation damages.

Aerator flow includes intense air-water exchange and involves a process of air entrainment, transport, and detrainment. Because of the complex phenomena, it is still a challenge to investigate the behaviors of interaction between air and water. It is fundamental to understand the flow behaviors downstream of the aerator. This thesis investigates the aerator flow features using both the Computational Fluid Dynamics (CFD) and advanced measurement techniques.

The CFD method presents three two-phase flow models to describe the aerator flows, namely, the Volume of Fluid Model, the Mixture Model, and the Two-Fluid Model. They are applied and evaluated via practical engineering projects and experimental data. The Volume of Fluid model leads to reasonable results regarding the water flow discharge and flow fields. For predicting the air concentration distribution and air bubble transport processes, the Two-Fluid Model is superior to others because it includes forces acting on the air bubbles. However, the model still overestimates the air content near the chute bottom. Based on the aerator flow from a chute spillway in Sweden, three two-phase flow models are applied and compared.

Physical model tests are commonly conducted to investigate aerator flow features. Because of the scale effects, the results may lead to a discrepancy in the flow behaviors compared with the prototype. Thus, CFD modeling becomes an alternative tool when seeking the reason for the difference. Based on the aerator flow in a real spillway, CFD is applied to reproduce the flow; the discrepancy between the model tests and prototype observations is evidenced. The results show similar flow features with the prototype but differ from those of the model tests. An explanation for the discrepancy is discussed in terms of flow features, effect of surface tension in model tests, and the prerequisite for air entrainment of the free-surface flow.

Laboratory experiments are conducted to study the aerator flow in a chute. Four image-based measurement techniques－i.e., high-speed particle image velocimetry (HSPIV), shadowgraphic image method (SIM), bubble tracking method (BTM), and bubble image velocimetry (BIV)－are employed. The study focuses on issues of exploring characteristic positions of water-air interfaces, interpreting the evaluation process of air bubbles shed from the tip of the air cavity, identifying the probabilistic means for characteristic positions near the fluctuating free surface, and obtaining the flow field both water flow and air bubbles features of the aerator flow. The application of these techniques leads to a better understanding of two-phase flow characteristics of the chute aerator.

Ett flodutskov är en typisk komponent hos vattenkraftdammar och som syftar till att släppa ut dimensionerande vattenföring. På grund av den stora fallhöjden hos många höga dammar är flödeshastigheten i utskovskanalen ofta högre än 20 m/s. Följaktligen är utskovsstrukturen oftast sårbar för kavitationsskador. Att lufta vattenströmmen är ett effektivt sätt att eliminera eller mildra skadorna. En luftningsramp är en anordning som blandar in luft i vattenflödet och är en ingenjörsmässig åtgärd för att motverka kavitationsskadorna. 

Luftinblandning avser intensivt luft-vattenutbyte och involverar en process med luftinträngning, transport och infångning av luft i immobila fickor i strömningsvägen. På grund av det komplexa fenomenet är det fortfarande en utmaning att undersöka det växelvisa mekaniska beteendet mellan luft och vatten. Det är grundläggande att förstå flödesbeteenden nedströms av luftningsrampen eftersom luften blandas i vattnet och kan sedan avges till atmosfären. Denna avhandling undersöker egenskaperna hos luftningsflödet med både beräkningsmetoder (Computational Fluid Dynamics – CFD) och avancerade labbförsök.

CFD-metoden presenterade tre stycken tvåfasmodeller för att beskriva luftningsflödena, nämligen s.k. Volume of fluid (VOF), Mixture Model och Two-Fluid Model (TFM). De tillämpas och utvärderas med data från prototyputskov och även genom jämförelser med experimentella data. VOF modellen leder till rimliga resultat avseende både vattenflöde och luftmängd. För att förutsäga luftkoncentrationsfördelning och luftbubblors transportprocesser är TFM överlägsen andra metoder (modeller) eftersom den inkluderar krafter som verkar på luftbubblorna. Modellen överskattar dock fortfarande luftinnehållet nära utskovsbotten. Baserat på uppgifter av ett prototyputskov i Sverige tillämpas och jämförs de tre modellerna.

Fysiska modellförsök genomförs vanligtvis för att undersöka egenskaper hos luftningsrampen. På grund av skaleffekter kan resultaten leda till avvikelser i flödesbeteenden jämfört med prototypen. Således blir CFD-modellering ett alternativt verktyg när orsaken till skillnaden söks. Baserat på fältförsök i ett flodutskov appliceras CFD för att reproducera flödesbeteenden; avvikelser mellan modellförsöken och prototypobservationer visas. CFD, som utförs i prototypmått, visar liknande flödesegenskaper som i prototypen men skiljer sig från dem i modellen. En förklaring till avvikelserna diskuteras i termer av flödesegenskaper, ytspänningens effekt i modellförsöken och förutsättningen för luftinträngning genom den fria vattenytan.

Experiment utförs i labbmiljö för att studera luftningsflödet i en ränna. Fyra bildbaserade mättekniker – det vill säga hastighetsmätning med höghastighetspartikelfotografering (High-Speed Particle Image Velocimetry, HSPIV), skuggrafisk bildmetod (Shadowgraphic Image Method, SIM), bubbelspårningsmetod (Bubble Tracking Method, BTM) och bubbelbildshastighetsmetod (Bubble Image Velocimetry ,BIV) – används. Studien fokuserar på frågor som rör karakteristiska lägen för vatten-luftgränssnitt, tolkning av utvärderingsprocessen för luftbubblor som släpper från spetsen av luftkaviteten, identifiering av sannolika medelvärden för karakteristiska lägen av nära den fluktuerande fria vattenytan och att erhålla hastighetsfältet från både vatten- och luftflöde och egenskaper hos luftbubblor i strömmen. Tillämpningen av dessa tekniker leder till en bättre förståelse av tvåfasflödets egenskaper hos luftningsrampen.