Numerical modeling of dam-break flow over trapezoidal obstacle using smoothed particle hydrodynamics

Abstract

When a dam-break phenomenon occurs, the large amount of water rapidly starts to propagate towards the downstream and, the topography of the downstream has significant effects on the main characteristics of the dam-break flow. It has great importance to determine the main characteristics of the dam-break flows such as wave propagation velocity and water height in order to prevent possible disasters which can cause destructive effects in the impact area. Difficulties in obtaining field data of this type of flows increase the importance of experimental and numerical studies in this field. In the presented study, the numerical analysis of the dam-break flow with a trapezoidal hump in the downstream was performed by the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. The solution capability of the SPH method was tested by the comparisons of the analysis results obtained from three different particle resolution with experimental measurements. In general, a good agreement was observed between experimental measurement data and numerical calculations and, the effect of particle resolution on the results was discussed.

Keywords

• Dam-break
• Smoothed particle hydrodynamics
• Numerical model
• Experiment
• Trapezoidal obstacle

Etkileşimli parçacık hidrodinamiği kullanılarak trapez eşik üzerinden geçen baraj yıkılması akımının sayısal olarak modellenmesi

Öz

Bir baraj yıkılması olayı gerçekleştiğinde, yüksek miktardaki su kütlesi ani bir şekilde mansap kısmına doğru yayılmaya başlar ve mansap bölgesinin topografyası, baraj yıkılması akımının ana karakteristikleri üzerinde önemli etkilere sahiptir. Etki alanı içerisinde olası afetlerin önlenmesi için baraj yıkılması akımlarının dalga yayılma hızı ve su yüksekliği gibi temel özelliklerinin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu tür akımların saha verilerinin elde edilmesindeki zorluklar, bu alanda yapılan deneysel ve nümerik çalışmaların önemini arttırmaktadır. Sunulan çalışmada mansap kesitinde trapez bir eşik bulanan baraj yıkılması akımının Etkileşimli Parçacık Hidrodinamiği (EPH) yöntemi ile nümerik analizi gerçekleştirilmiştir. EPH yönteminin çözüm kabiliyeti, üç farklı parçacık çözünürlüğünden elde edilen analiz sonuçlarının deneysel ölçümlerle karşılaştırılmasıyla test edilmiştir. Genel olarak deneysel ölçüm verileri ile nümerik hesaplamalar arasında iyi bir uyum gözlemlenmiş ve parçacık çözünürlüğünün sonuçlar üzerindeki etkisi tartışılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Baraj Yıkılması
• Etkileşimli Parçacık Hidrodinamiği
• sayısal model
• trapez eşik

References

1. F. Aureli, A. Maranzoni, P. Mignosa, and C. Ziveri, Dam-break flows: Acquisition of experimental data through an imaging technique and 2D numerical modeling. J. Hydraul. Eng., 134(8), 1089–1101, 2008. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339429(2008)134:8(1089)
2. S. Kocaman, and H. Ozmen-Cagatay, The effect of lateral channel contraction on dam break flows: Laboratory experiment. J. Hydrol., 432–433, 145–153, 2012. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.02.035
3. H. Ozmen-Cagatay, S. Kocaman, and H. Guzel, Investigation of dam-break flood waves in a dry channel with a hump. J. Hydro-Environment Res., 8(3), 304-315, 2014. https://doi.org/10.1016/j.jher.2014. 01.005
4. H. Ozmen-Cagatay, and S. Kocaman, Dam-break flow in the presence of obstacle: Experiment and CFD simulation. Eng. Appl. Comput. Fluid Mech., 5(4), 541/552, 2011. https://doi.org/10.1080/19942060. 2011.11015393.
5. H. Ozmen-Cagatay, and S. Kocaman, Investigation of dam-break flow over abruptly contracting channel with trapezoidal-shaped lateral obstacles. J. Fluids Eng. Trans.ASME,134(8), 2012. https://doi.org/10.1115/ 201.4007154.
6. S. Soares-Frazão, and Y. Zech, Experimental study of dam-break flow against an isolated obstacle. J. Hydraul. Res., 45, 27-36, 2007. https://doi.org/10. 1080/00221686.2007.9521830.
7. M. İlkentapar, and A. Öner, Geniş başlıklı savak etrafındaki akımın incelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilim. Derg., 6, 615–626, 2017.
8. M. Aydın, and C. Kaplan, Ilısu barajı dolusavak havalandırıcısı performans analizi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilim. Derg., 8, 902-911, 2019. https://doi.org/10.28948/ngumuh. 598248

9. A. Issakhov, Y. Zhandaulet, and A. Nogaeva, Numerical simulation of dam break flow for various forms of the obstacle by VOF method. Int. J. Multiph. Flow, 109, 191-206, 2018. https://doi.org/10.1016/ j.ijmultiphaseflow.2018.08.003
10. S. Kocaman, and H. Ozmen-Cagatay, Investigation of dam-break induced shock waves impact on a vertical wall. J. Hydrol., 525, 1-12, 2015. https://doi.org/ 10.1016/j.jhydrol.2015.03.040
11. H. Ozmen-Cagatay, and S. Kocaman, Dam-break flows during initial stage using SWE and RANS approaches. J. Hydraul. Res., 48(5), 603-611, 2010. https://doi.org/ 10.1080/00221686.2010.507342
12. A. Yilmaz, K. Dal, M. Demirci, and S. Kocaman, Numerical ınvestigation of dam-break flowovera bottom obstacle using eulerian finite element method. Int. J. Adv. Eng. Res. Sci., 4(12), 203–208, 2017. https://doi.org/10.22161/ijaers.4.12.30
13. R. Gingold, and J. J. Monaghan, Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars. Mon. Not. R. Astron. Soc., 181, 375–189, 1977. https://doi.org/10.1007/s00769-003-0757-y
14. L. B. Lucy, A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. Astron. J., 82(12),1013–1024, 1977.
15. A. J. C. Crespo, M. Gómez-Gesteira, and R. A. Dalrymple, Modeling dam break behavior over a wet bed by a SPH technique. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng., 134(6), 313–320, 2008. https://doi.org/10.1061/ (asce)0733950x(2008)134:6(313)
16. K. Dal, S. Evangelista, A. Yilmaz, and S. Kocaman, Validation of dam-break problem over dry bed using SPH, Int. J. Adv. Eng. Res. Sci., 4(12), 209–213, 2017. https://doi.org/10.22161/ijaers.4.12.31
17. R. A. Dalrymple, and B. D. Rogers, Numerical modeling of water waves with the SPH method. Coast. Eng., 53(2–3), 141-7, 2006. https://doi.org/10.1016/ j.coastaleng.2005.10.004
18. M. Gomez-Gesteira, and R. Dalrymple, Using a three-dimensional smoothed particle hydrodynamics method for wave ımpact on a tall structure. J. Waterw. Port, Coastal, Ocean Eng., 130(2), 63–69, 2004.
19. S. Kocaman, Baraj yıkılması probleminin deneysel ve teorik olarak incelenmesi. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 2007.
20. A. J. C. Crespo, DualSPHysics: Open-source parallel CFD solver based on smoothed particle hydrodynamics (SPH). Comput. Phys. Commun., 187, 204–216, 2015. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.10.004
21. H. Wendland, Piecewise polynomial, positive definite and compactly supported radial functions of minimal degree. Adv. Comput. Math., 4, 389–396, 1995.
22. J. J. Monaghan, Smoothed particle hydrodynamics, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 30, 543–574, 1992.
23. G. K. Batchelor, An introduction to fluid mechanics. UK: Cambridge University Press, 1974.
24. A. J. C. Crespo, M. Gomez-Gesteira, and R. A. Dalrymple, Boundary conditions generated by dynamic particles in SPH methods. Comput. Mater. Contin., 5(3), 173–184, 2007.
25. B. J. Leimkuhler, S. Reich, and R. D. Skeel, Integration methods for molecular dynamics, in mathematical approaches to biomolecular stru1cture and dynamics. Springer., New York, 185.