Master's Thesis

Analysis of flow around butterfly valve HPP Kníničky

Final Thesis 9.06 MB Appendix 2.62 MB

Author of thesis: Bc. Rastislav Zeleňák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Reviewer: Ing. Radek Veselý

Abstract:

Butterfly valves are important components of hydropower and hydraulic systems. In hydropower plants, they may serve as inspection or operational valves in penstocks, where, in the fully open position, the requirement is to minimize flow resistance and limit undesirable dynamic effects on the structure. The flow around a fully open valve is influenced by its shape and position in the pipeline, which can lead to increased hydraulic losses and the formation of unsteady vortex structures. This diploma thesis deals with the numerical analysis of flow around a fully open butterfly valve at the Brno – Kníničky hydropower plant, located below the dam of the Brno Reservoir. Using CFD simulations, the current position and shape of the valve are assessed, followed by selected geometrical modifications. The simulations focus on the determination of hydraulic losses, pressure conditions, velocity field, identification of unsteady wake phenomena and forces acting on the valve. The evaluation also includes an analysis of dominant frequencies in the time-dependent signals. The results make it possible to compare the hydraulic behaviour of the original and modified configurations and to assess the influence of the proposed modifications on pressure losses, flow characteristics, and the reduction of undesirable unsteady phenomena.

Keywords:

Butterfly valve, hydraulic losses, Kármán vortex street, CFD

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

V úvodu obhajoby student v rámci vymezeného časového limitu seznámil zkušební komisi s cíli, metodikou a výsledky své diplomové práce na téma Analýza proudění kolem klapkového uzávěru VE Kníničky. Následně byly komisi předneseny posudky vedoucího práce a oponenta. V rámci těchto posudků byly shrnuty hlavní body práce a oponentem byly formulovány otázky k obhajobě. Student následně reagoval na otázky uvedené v posudku oponenta. V poslední fázi obhajoby položili členové zkušební komise dotazy vztahující se k tématu diplomové práce, na které student odpověděl. Průběh obhajoby diplomové práce byl tímto ukončen a komise přistoupila k neveřejnému zasedání a hodnocení.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. Ing. František Pochylý, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Sylva Drábková, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D. (člen)
Ing. David Štefan, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Veselý (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Téma diplomové práce vychází od průmyslového partnera, firmy ČEZ,a je velmi aktuální, jedná se v zásadě o téma fluid-structure interaction a propojení mezi jevy pozorovanými na díle a jejich možnou identifikaci s využitím výpočtových simulací. Problematikou uzávěrů na přivaděčích vodních elektráren se nyní začínají zabývat i renomovaná zahraniční pracoviště, především s ohledem na jejich dynamické projevy v souvislosti s častějšími provozními změnami turbosoustrojí.
Student pracoval po celou dobu velmi aktivně, často svou práci konzultoval, ale zároveň byl samostatný. Zvládl realizaci nestacionárních CFD simulací, jejich vyhodnocení, modální analýzu v MKP, komunikaci se zadavatelem. Vše graficky zdařile zpracoval ve své diplomové práci.
Diplomovou práci hodnotím výborně a velmi rád doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Radek Veselý

Autor prokázal velmi dobrou orientaci v oblasti hydrauliky, numerického modelování i konstrukční analýzy. Oceňuji zejména komplexní přístup kombinující CFD simulace, analýzu nestacionárních jevů a modální analýzu konstrukce. Důležité je, že námět práce vychází z reálné potřeby provozovatele (ČEZ), kde se dlouhodobě projevují konkrétní provozní problémy klapkového uzávěru. Práce tak přináší hodnotný pohled na to, jak proudění vody působí na klapku a jaké dynamické jevy při tom vznikají.

Jak je z práce patrné, postup při popisu proudění přinášel nová zjištění i komplikace, kterým se student musel průběžně přizpůsobovat. Jejich pochopení a zdárné řešení svědčí o vysoké míře uplatnění odborných znalostí nabytých během studia.

Použité metody jsou zvoleny vhodně vzhledem k řešené problematice a umožňují detailně analyzovat proudění v okolí klapky. Přínosem práce jsou zejména návrhy geometrických úprav klapky a jejich vyhodnocení, které mají potenciální dopad na snížení hydraulických ztrát a omezení dynamického zatížení konstrukce.

Jako určitý nedostatek vnímám méně výrazné grafické zvýraznění klíčových výstupů, což ztěžuje rychlou orientaci v práci.

Celkově se jedná o nadstandardní diplomovou práci s vysokou odbornou úrovní, kterou doporučuji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Může autor dát další doporučení (kromě těch, která už autor v práci zmínil): Jaké další opatření by bylo prakticky proveditelné přímo na díle, abychom zlepšili ztrátu a případně eliminovali vibrace?
  2. Bylo by možné vysvětlit, proč končí výpočetní sekce 1 rovným úsekem potrubí a nezahrnuje už koleno a kužel (konfuzor) před klapkou? Respektive proč je koleno s kuželem zahrnuto v sekci 2?
  3. Bylo by možné výpočty a zjištění podpořit/verifikovat nějakým fyzikálním měřením na díle? Jak by takové měření mohlo vypadat; co by bylo vhodné měřit? Jak by se dal výzkum klapky ještě zpřesnit?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová