Dairesel başlıklı savak akımının sayısal analizi

Year 2021, Volume: 11 Issue: 3, 870 - 881, 15.07.2021

Göksu Soydan

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.892904

Abstract

Dairesel başlıklı savaklar akım ölçümleri için yaygın olarak kullanılan su yapılarıdır. Dikdörtgen kesitli savak profillerine göre genellikle daha yüksek debi katsayılarına sahip oldukları bilinen bu tür savaklar, akım yapısını daha az rahatsız etme özelliğine sahip oldukları için dikdörtgen başlıklı savaklara kıyasla daha avantajlıdır. Bu çalışmada, dairesel savakların etrafındaki akımın hız alanı, basınç dağılımı, akım çizgileri ve hız vektörleri sonlu hacim yöntemine dayalı ANSYS Fluent programı kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir. Savak yapısından etkilenen akımı idare eden temel denklemler Renormalizasyon Grup k- (RNG) modeli ile çözülmüştür. Akımın su yüzünün hesabında Akışkan Hacimleri Yöntemi (Volume of Fluid-VOF) kullanılmıştır. RNG modelinden elde edilen sayısal sonuçlar, literatürden elde edilen deneysel ölçümler ile doğrulanmıştır. Bununla birlikte deneysel sonuçlara ek olarak farklı akım koşulları için sayısal modellemeler gerçekleştirilmiş ve sayısal debi katsayıları (Cd ) elde edilmiştir. Deneysel ve sayısal hız dağılımları ile debi katsayılarının karşılaştırılmasından, RNG modelinin dairesel savak etrafındaki akım alanını tahmin etmede başarılı olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca debinin artırılmasının dairesel savaklar için debi katsayısında artışa neden olduğu belirlenmiştir.

Keywords

Dairesel başlıklı savaklar, Debi Katsayısı, Hız Profilleri, Sayısal Modelleme

Numerical analysis of cylindrical weir flow

Abstract

Circular-crested weirs are flow structures commonly used for flow measurements. These types of weirs, which are generally known to have higher discharge coefficients compared to rectangular weir profiles, are widely used because they have less disturbance to the flow structure. In this study, the velocity field, pressure distribution, streamlines and velocity vectors of the flow around circular crested weirs were numerically investigated using the ANSYS Fluent program based on the finite volume method. The governing equations of the flow affected by the weir structure are solved by the Renormalization Group k- (RNG) model. The Volume of Fluid-VOF was used to calculate the free surface of the flow. The numerical results obtained from the RNG model have been verified by experimental measurements obtained from the literature. However, in addition to the experimental results, numerical modeling was performed for different flow conditions and numerical velocity distributions, free surface profiles, streamlines and velocity vectors and discharge coefficients Cd were obtained. The comparison of the experimental and numerical velocity distributions and the discharge coefficients showed that the RNG model was successful in estimating the flow around the circular weir. It can also be said that increasing the flow rate causes an increase in the discharge coefficient for circular weir.

Keywords

Circular crested weirs, Discharge coefficient, Velocity profile, Numerical modelling

References

• Aköz, M. S., Şimşek, O. and Soydan, N. G. (2019). Numerical modeling of ınteraction of turbulent flow with a buried circular cylinder on a plane surface. Teknik Dergi, 30(6), 9621-9645. https://doi.org/10.18400/tekderg.432310
• Aköz, M. S., Gümüş, V. and Kırkgöz, M. S. (2014). Numerical simulation of flow over a semicylinder weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 140(6), 6, 04014016. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000717
• Ansys, (2012). Fluent Theory Guide. USA: ANSYS Inc.
• Bagheri, S. and Kabiri-Samani, A. (2020). Overflow characteristics of streamlined weirs based on model experimentation. Flow Measurement and Instrumentation, 73(1), 101720. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2020.101720.
• Bos, M. G. (1976). Discharge measurement structures. Ilri, 161.
• Chanson, H. and Montes, J. S. (1998). Overflow characteristics of circular weirs: Effects of inflow conditions. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 124(3), 152-162. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(1998)124:3(152).
• Dönmez, S. ve Lekesiz, R. (2011). Silindir savaklar için savak katsayısı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(1), 85-90.
• Gümüş, V. ve Şimşek, O. (2015). Eğimli açık kanal akımının farklı türbülans modelleri ile sayısal modellemesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 30(2), 41-54.
• Heidarpour, M. and Chamani, M. R. (2006). Velocity distribution over cylindrical weirs. Journal of Hydraulic Research, 44(5), 708-711. https://doi.org/10.1080/00221686.2006.9521719.
• Hirt, C. W. and Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (vof) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201-225.
• Kırkgöz, M. S. and Ardıçlıoğlu, M. (1997). Velocity profiles of developing and developed open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, 123(12), 1099-1105. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1997)123:12(1099).
• Menter, F. R. (1994). 2-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598-1605.
• Rao, N. S. L. (1975). Theory of Weirs. In: Advances in Hydroscience, Elsevier, 309-406.
• Schmocker, L., Halldórsdóttir, B. R. and Hager, W. H. (2011). Effect of weir face angles on circular-crested weir flow. Journal of Hydraulic Engineering, 137(6), 637-643. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000346.
• Soydan, N. G., Aköz, M. S., Şimşek, O. ve Gümüş, V. (2012). Trapez kesitli geniş başlıklı savak akımının k-ε tabanlı türbülans modelleri ile sayısal modellenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27(2), 47-58.
• Soydan, N. G. (2019). Hidrofoil Savak Akımının Deneysel ve Sayısal Analizi. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana.
• Şimşek, O., Aköz, M. S. and Soydan, N. G. (2016). Numerical validation of open channel flow over a curvilinear broad-crested weir. Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 16(6), 364-378. https://doi.org/10.1504/PCFD.2016.080055.
• Yakhot, V. and Orszag, S. A. (1986). Renormalization-group analysis of turbulence. Physical Review Letters, 57(14), 1722-1724.
• Yakhot, V. and Smith, L. M. (1992). The renormalization group, the ɛ-expansion and derivation of turbulence models. Journal of Scientific Computing, 7(1), 35-61. https://doi.org/10.1007/BF01060210.
• Yuce, M. I., Al-Babely, A. A. H. and Al-Dabbagh, M. A. (2015). Flow simulation over oblique cylindrical weirs. Canadian Journal of Civil Engineering, 42(6), 389-407. https://doi.org/10.1139/cjce-2014-0157.
• Wilcox, D. C. (2006). Turbulence Modeling for Cfd (third edition). California: DCW Industries, Inc.