Numerical Modelling of Open Channel Flow with Different Flow Conditions

Abstract

Open channels are hydraulic structures used to transmit the required water from the source to the desired location. Elimination of the losses that occur during the transfer of water and the correct analysis of the movement of the water will increase the efficiency of the open channels. In this study, the water surface profiles of the open channel flow occurring in different gate openings, bottom slopes and flow conditions are numerically modelled. In numerical modelling, continuity and momentum equations are solved by the finite volume method with the help of ANSYS-Fluent program. In the numerical modelling of turbulence viscosity, Re-normalization group k-ε (RNG) turbulence model based on Reynolds Average Navier Stokes (RANS) is used, and fluid volume method is used to determine the water-air intersection. Numerical water surface profiles are compared with the experimental results found in the literature. As a result of comparison, it has been determined that the water surface profiles obtained numerically are quite compatible with the experimental profiles. In addition, the streamlines and turbulent kinetic energy distributions obtained numerically are evaluated. The properties of the vena contract point were determined to different flow cases. Numerical modelling has been found to be successful in determining the water surface profiles of open channel flows with different flow characteristics.

Keywords

• Volume of fluid method,Numerical modelling,Water surface profile,Vena contracta

Farklı Akım Koşullarına Sahip Açık Kanal Akımının Sayısal Modellemesi

Abstract

Açık kanallar, ihtiyaç duyulan suyun kaynaktan istenilen yere iletilmek için kullanılan hidrolik yapılardır. Suyun aktarılması sırasında meydana gelen kayıpların giderilmesi ve suyun hareketinin doğru analiz edilmesi, açık kanalların verimliliğini arttıracaktır. Bu çalışmada, farklı kapak açıklığı, taban eğimi ve akım durumlarında meydana gelen açık kanal akımının su yüzü profilleri sayısal olarak modellenmiştir. Sayısal modellemede, süreklilik ve momentum eşitlikleri, sonlu hacimler yöntemiyle ANSYS-Fluent programı yardımıyla çözülmüştür. Türbülans viskozitesinin sayısal modellemesinde Reynolds Ortalamalı Navier Stokes (RANS) tabanlı Re-normalization Group k-ε (RNG) türbülans modeli, su hava ara kesitinin belirlenmesinde ise akışkan hacimleri yöntemi kullanılmıştır. Sayısal su yüzü profilleri, literatürde bulunan deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, sayısal olarak elde edilen su yüzü profillerinin, deneysel profillerle oldukça uyumlu olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, sayısal olarak elde edilen akım çizgileri ve türbülans kinetik enerji dağılımları değerlendirilmiştir. Farklı akım durumunda oluşan vena kontratta noktasının özellikleri belirlenmiştir. Sayısal modellemenin farklı akım özelliklerine sahip açık kanal akımlarının su yüzü profillerini belirlemede başarılı olduğu görülmüştür.

Keywords

• Akışkan hacimler yöntemi,Sayısal modelleme,Su yüzü profili,Vena kontratta

References

1. [1] Baines PG. Topographic effects in stratified flows: Cambridge university press; 1997.
2. [2] Baines PG, Whitehead J. On multiple states in single-layer flows. Physics of fluids. 2003;15(2):298-307.
3. [3] Defina A, Susin FM. Stability of a stationary hydraulic jump in an upward sloping channel. Physics of Fluids. 2003;15(12):3883-5.
4. [4] Defina A, Susin FM, Viero DP. Bed friction effects on the stability of a stationary hydraulic jump in a rectangular upward sloping channel. Physics of fluids. 2008;20(3):036601.
5. [5] Park JH, Park YS, Do Kim Y, Chae DS. An experimental study on water surface profiles of high Froude number flows. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018;22(8):2864-70.
6. [6] İşcen BN, Öktem N, Yılmaz B, Aydın İ. Sığ akım denklemlerinin hidrolikte kullanılması üzerine değerlendirmeler. Teknik Dergi. 2017;28(1):7747-64.
7. [7] Şimşek O, Soydan NG, Gümüş V, Aköz MS, Kırkgöz MS. Ani Bir Düşüdeki B-tipi Hidrolik Sıçramanın Sayısal Modellenmesi. Teknik Dergi. 2015;26(4):7215-40.
8. [8] Gumus V, Simsek O, Soydan NG, Akoz MS, Kirkgoz MS. Numerical modeling of submerged hydraulic jump from a sluice gate. Journal of irrigation and drainage engineering. 2016;142(1):04015037.

9. [9] Soydan NG, Aköz MS, Şimşek O, Gümüş V. Trapez Kesitli Geniş Başlıklı Savak Akımının ke Tabanlı Türbülans Modelleri ile Sayısal Modellenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2012;27(2):47-58.
10. [10] Gümüş V, Aköz MS, Kırkgöz MS. Kapak mansabında batmış hidrolik sıçramanın deneysel ve sayısal modellenmesi. Teknik Dergi. 2013;24(117).
11. [11] Yakhot V, Orszag S, Thangam S, Gatski T, Speziale C. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1992;4(7):1510-20.
12. [12] Simsek O, Akoz MS, Soydan NG. Numerical validation of open channel flow over a curvilinear broad-crested weir. Progress in computational fluid dynamics, an international journal. 2016;16(6):364-78.
13. [13] Gümüş V, Şimşek O. Eğimli Açık Kanal Akımının Farklı Türbülans Modelleri ile Sayısal Modellemesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2015;30(2):41-54.
14. [14] Hirt CW, Nichols BD. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics. 1981;39(1):201-25.
15. [15] ANSYS I. ANSYS FLUENT Theory Guide, United States: ANSYS. Inc; 2012.
16. [16] Roache PJ. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics. Annual review of fluid Mechanics. 1997;29(1):123-60.
17. [17] Roache PJ. Verification and validation in computational science and engineering: Hermosa Albuquerque, NM; 1998.
18. [18] Aydin MC. CFD simulation of free-surface flow over triangular labyrinth side weir. Advances in Engineering Software. 2012;45(1):159-66.
19. [19] Ali MSM, Doolan CJ, Wheatley V, editors. Grid convergence study for a two-dimensional simulation of flow around a square cylinder at a low Reynolds number. Seventh International Conference on CFD in The Minerals and Process Industries (ed PJ Witt & MP Schwarz); 2009.
20. [20] Aköz MS, Şimşek O, Soydan NG. Numerical Modeling of Interaction of Turbulent Flow with a Buried Circular Cylinder on a Plane Surface. Teknik Dergi. 2019;30(6):1-25.
21. [21] Kirkgöz MS, Ardiçlioğlu M. Velocity profiles of developing and developed open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering. 1997;123(12):1099-105.
22. [22] Huang P, Bradshaw P, Coakley T. Skin friction and velocity profile family for compressible turbulentboundary layers. AIAA journal. 1993;31(9):1600-4.