Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Internal erosion in embankment dams: fluid flow through and deformation of porous media
Luleå University of Technology, Department of Engineering Sciences and Mathematics, Fluid and Experimental Mechanics.ORCID iD: 0000-0002-8360-9051
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

A basic understanding of fluid flow through a porous media facilitates a comprehensive understanding of internal erosion in embankment dams. Hence, it is necessary to reveal the detailed seepage flow, the flow-induced forces acting within the porous media and the fluid flow deformation of the porous media. In order to increase the knowledge of the fluid flow a Computational Fluid Dynamics approach is applied to investigate different flow regimes. The regimes ranges from creeping flow, where a Darcy law formulation is sufficient, via an inertia dominated region, where a non-linear term must be added to the Darcy's law such as the Ergun equation, to the turbulent region, where the full Navier-Stokes equations must be solved including a Reynolds decomposition. Since it is not obvious when these transitions takes place the CFD-simulations are used to calculate the apparent permeability, the Blake-type friction factor and the normal and shear forces for a variety of model geometries. This includes quadratic and hexagonal packing of cylinders as well as spheres. One result is that the Reynolds number, where inertia-effects become significant, varies with the packing and the porosity. For a quadratic arrangement of cylinders this occurs around a Reynolds number about 10 while for a hexagonal arrangement it takes place between 30 and 50 depending on the porosity. Another result is that for quadratic arrangement the turbulent set-up at high Reynolds number gives higher forces than a corresponding laminar set-up regardless of the porosity. For hexagonal packing a turbulent set-up can, however, give lower forces. These ranges, regarding the Reynolds number, have been utilized in order to develop an expression for theoretical limits of the effective diameter and the applied pressure gradient to be applied when designing down-scaled geotechnical experimental setups. Regarding the deformation of the porous media there are several methods that has the potential to model the internal erosion process. One way is a mesh deformation approach where the normal and shear forces acting on the particles generate the motion. This methodology requires that the computational mesh is upgraded in every time-step resulting in rather computational heavy simulations. Another way is to combine CFDsimulations of flow in the vicinity of single particles with Monte-Carlo simulations of a system of a large number of particles by using the fact that the distribution of the stream function follows the known principle of minimal dissipation rate of energy. Main result is that the more compact the system is the larger is the possible relative change of permeability by applying a high flow rate. When applying this technique on a classical geotechnical experimental setup, the No Erosion Filter test, results indicate that the developed model captures the main characteristics of the sought particle transportation, both for a sealing as well as a non-sealing design of the filter and fine combination.

Abstract [sv]

För en övergripande förståelse av inre erosion i fyllnadsdammar är det viktigt att få en grundläggande förståelse av villkoren för flöde genom porösa material. Därför är det nödvändigt att belysa de detaljerade flödesförhållandena, flödesinducerade krafter som verkar inom porösa material och flödesinducerad deformering av porösa material. För att öka kunskapen om dessa flöden är "Computational Fluid Dynamics" -simuleringar ett lämpligt tillvägagångssätt att använda för att undersöka olika flöden. Dessa villkor ger upphov till olika flödesregimer allt från krypande flöde, där en formulering baserad på Darcy's lag är tillräcklig, via en region dominerad av tröghetseffekter, där en icke-linjär term måste läggas till Darcy's lag såsom är fallet i Ergun's ekvation, till den turbulenta regionen, där de fullständiga Navier - Stokes ekvationer måste lösas. Men när dessa övergångar sker är inte uppenbart, därav användandet utav CFD-simuleringar för att beräkna den skenbara permeabilitet, en friktion faktor av Blake-typ och de normala och skjuvkrafter för olika modellgeometrier. Detta inkluderar kvadratiska och hexagonala packningar av cylindrar samt sfärer. Ett resultat är att Reynoldstalet där tröghetseffekterna blir betydande, varierar med packning och porositet. För en kvadratisk packning av cylindrar inträffar detta runt ett Reynolds tal omkring 10 medan för en hexagonal packning äger den rum mellan 30 och 50 beroende på porositet. Ett annat resultat är att för kvadratisk packning med turbulenta inställningar genereras högre krafter vid höga Reynolds tal än en motsvarande laminär inställning och detta sker oavsett porositet. För hexagonal packning kan en turbulent inställning ge lägre krafter. Dessa flödesregimer har använts för att fastställa ett matematiskt uttryck för de teoretiska gränserna gällande den effektiva diametern och lämplig tryckgradient för design utav nedskalade geotekniska experiment.När det gäller deformering utav ett poröst material finns flera metoder som har potential att modellera den inre erosions processen. Ett sätt är en nätdeformationsmetod där normal och skjuvkrafter som verkar på partiklarna genererar rörelse utav det porösa materialet. Denna metod kräver att beräkningsnätet uppdateras i varje tidssteg vilket genererar ganska beräkningsintensiva simuleringar. Ett annat tillvägagångssätt är att kombinera CFD-simuleringar utav flödet i närheten av enstaka partiklar med Monte Carlosimuleringar på ett större system med partiklar. De beräknade parametrarna kombineras på det större systemet där minimering utav dissipationen ger oss ett linjärt ekvationssystem med avseende på strömfunktionen. Från strömfunktionen beräknas fördelningen av krafter på strukturen som ger upphov till en omfördelning av partiklarna, detta för att kunna förutse förändringar i permeabiliteten hos det stora systemet av partiklar. Huvudresultatet är att ju mer kompakt systemet är desto större är den möjliga relativa förändringen utav permeabilitet genom att tillämpa ett högt flöde. Om man tillämpar denna teknik på ett klassisk geotekniskt experiment, No Erosion Filter test, så indikerar resultaten att metoden beskriver huvuddragen vad gäller transport utav partiklar i ett poröst material bestående utav en zon med fint material som kopplar till en filter zon.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2009. , 77 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Fluid Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-26645Local ID: f5759360-bc81-11de-b769-000ea68e967bISBN: 978-91-7439-015-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-26645DiVA: diva2:999812
Note

Godkänd; 2009; 20091019 (gunhel); DISPUTATION Ämnesområde: Strömningslära/Fluid Mechanics Opponent: PhD/Associate Professor Thanasis D. Papathanasiou, University of Thessaly, Grekland Ordförande: Professor Staffan Lundström, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 20 november 2009, kl 09.00 Plats: E 243, Luleå tekniska universitet

Available from: 2016-09-30 Created: 2016-09-30 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(14313 kB)179 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 14313 kBChecksum SHA-512
fa156873ec4d869b74900395d8bf97eca5d05bbb5a6fd5109988f9fcba92e615265ba92d7c723c16ddb5916aac7d7684f142b1b05883c023eb03735ad7e107c9
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Hellström, J. Gunnar I.

Search in DiVA

By author/editor
Hellström, J. Gunnar I.
By organisation
Fluid and Experimental Mechanics
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 179 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 270 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf