Analysis of the Effect of Vegetation on Flow Characteristics in Open Channel Flow using Computational Fluid Dynamics

Abstract

In this study, the impact of vegetation on flow characteristics in a rectangular channel was investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. Ansys Fluent software was used for CFD analyses. The flow was assumed to be three-dimensional, incompressible, turbulent, and steady. the numerical study was verified against an experimental study conducted in the literature. The numerical study predicts the measurement results successfully. The relative error between the numerical study and measurement values was found to be under %10. The study shows that the vegetation alters the flow and turbulent characteristics significantly. In regions with vegetation, the velocities on the water surface were very low, while velocities were high between the roots beneath the vegetative cover, with maximum velocity occurring in this region with the value of 0.1177 m/s. Also, turbulence viscosity is high in the free regions, while turbulent eddy dissipation is high in the solid-liquid contact zones. This study provides important insights to understand the interaction of open channel flow with vegetation and to enhance the hydraulic performance of open channel systems.

Keywords

• Open-channel Flow
• Vegetated-channel
• Computational Fluid Dynamics
• Turbulent

HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE AÇIK KANAL AKIMINDA BİTKİ ÖRTÜSÜNÜN AKIM ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN ANALİZİ

Abstract

Bu çalışmada bitki örtüsünün, dikdörtgen bir açık kanal üzerindeki akım özelliklerine olan etkisi, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizi kullanılarak incelenmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) için ANSYS Fluent yazılımı kullanılmıştır. Akımın üç boyutlu, sıkışmayan, türbülanslı ve kararlı olduğu kabul edilmiştir. Sayısal çalışma literatürde yapılan deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Sayısal çalışmanın deney sonuçlarını başarılı bir şekilde tahmin ettiği gözlemlenmiştir. Sayısal çalışma ve ölçüm sonuçları arasındaki bağıl hata %10’un altında bulunmuştur. Yapılan sayısal çalışmalar sonucunda, bitki örtüsünün kanalın akım ve türbülans özelliklerini önemli ölçüde değiştirdiği gözlemlenmiştir. Bitki örtüsü olan bölgelerde, su yüzeyinde hızların çok düşük olduğu, yaprak örtüsünün altında kökler arasında ise hızların yüksek olduğu ve maksimum hızın 0,1177 m/s ile bu bölgede gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ayrıca türbülans viskozitesinin serbest alanlarda fazla olduğu gözlemlenirken türbülans enerji kırılımının katı-sıvı temas bölgelerinde fazla olduğu görülmüştür. Bu çalışma, açık kanal akışının bitki örtüsüyle etkileşimini anlamak ve açık kanal sistemlerinin hidrolik açıdan performansını geliştirmek için önemli bilgiler sağlamaktadır.

Keywords

• Açık-kanal akımı
• Bitki örtülü kanal
• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
• Türbülans

References

1. 1. Amina, ve Tanaka, N. (2022). Numerical Investigation of 3D Flow Properties around Finite Emergent Vegetation by Using the Two-Phase Volume of Fluid (VOF) Modeling Technique. Fluids, 7(5). https://doi.org/10.3390/fluids7050175
2. 2. Anjum, N., ve Tanaka, N. (2020). Investigating the turbulent flow behaviour through partially distributed discontinuous rigid vegetation in an open channel. River Research and Applications, 36(8), 1701-1716. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/rra.3671
3. 3. ANSYS Fluent. (2013). ANSYS Fluent (13). Swanson Analysis System, Pennsylvania, USA.
4. 4. Han, L., Zeng, Y., Chen, L., ve Li, M. (2018). Modeling streamwise velocity and boundary shear stress of vegetation-covered flow. Ecological Indicators, 92, 379-387. https://doi.org/10.1016/J.ECOLIND.2017.04.012
5. 5. Hou, Q., ve Zou, Z. (2005). Comparison between standard and renormalization group k-ε models in numerical simulation of swirling flow tundish. ISIJ International, 45(3), 325-330. https://doi.org/10.2355/isijinternational.45.325
6. 6. Huai, W., Hu, Y., Zeng, Y., ve Han, J. (2012). Velocity distribution for open channel flows with suspended vegetation. Advances in Water Resources, 49, 56-61. https://doi.org/10.1016/J.ADVWATRES.2012.07.001
7. 7. Huai, W. X., Zhang, J., Wang, W. J., ve Katul, G. G. (2019). Turbulence structure in open channel flow with partially covered artificial emergent vegetation. Journal of Hydrology, 573, 180-193. https://doi.org/10.1016/J.JHYDROL.2019.03.071
8. 8. Huang, W., Li, K., Wang, G., ve Wang, Y. (2013). Computational Fluid Dynamics Simulation of Flows in an Oxidation Ditch Driven by a New Surface Aerator. Environmental Engineering Science, 30(11), 663-671. https://doi.org/10.1089/ees.2012.0313

9. 9. İspir, M. A., Kırkgöz, M. S., ve Gümüş, V. (2016). Yavaş Değişen Kritik-Altı Açık Kanal Akımının k-ɛ Türbülans Kapatma Modelleri ile Sayısal Hesabı. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 29(1), 145-156. https://doi.org/10.21605/CUKUROVAUMMFD.242859
10. 10. Jebelli, A., Mahabadi, A., Saeid Zare, M., ve Ahmad, R. (2022). Numerical simulations of lateral input effect in an open channel to reduce disturbances in the mainstream channel using CFD. Water- Energy Nexus, 5, 39-49. https://doi.org/10.1016/J.WEN.2022.11.001
11. 11. Launder, B. E., Reece, G. J., ve Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537-566. https://doi.org/10.1017/S0022112075001814
12. 12. Launder, B. E., ve Spalding, D. B. (1974). The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3(2), 269-289. https://doi.org/10.1016/0045- 7825(74)90029-2
13. 13. Li, Q., Zeng, Y. hong, ve Zha, W. (2020). Velocity distribution and turbulence structure of open channel flow with floating-leaved vegetation. Journal of Hydrology, 590, 125298. https://doi.org/10.1016/J.JHYDROL.2020.125298
14. 14. Littleton, H. X., Daigger, G. T., ve Strom, P. F. (2007). Application of Computational Fluid Dynamics to Closed-Loop Bioreactors: I. Characterization and Simulation of Fluid-Flow Pattern and Oxygen Transfer. Water Environment Research, 79(6), 600-612. https://doi.org/10.2175/106143006x136739
15. 15. Rahim, A. S., Yonesi, H. A., Rahimi, H. R., Shahinejad, B., Podeh, H. T., ve Azamathulla, H. M. (2023). Effect of vegetation on flow hydraulics in compound open channels with non-prismatic floodplains. AQUA - Water Infrastructure, Ecosystems and Society, 72(5), 781-797. https://doi.org/10.2166/aqua.2023.043
16. 16. Shih, T. H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z., ve Zhu, J. (1995). A new k-ε{lunate} eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows. Computers and Fluids. https://doi.org/10.1016/0045- 7930(94)00032-T
17. 17. Skote, M., Henningson, D. S., ve Henkes, R. A. W. M. (1998). Direct numerical simulation of adverse pressure gradient turbulent boundary layers. Fluid Mechanics and its Applications, 46, 171-174. https://doi.org/10.1007/978-94-011-5118-4_42
18. 18. Stoesser, T., Salvador, G. P., Rodi, W., ve Diplas, P. (2009). Large eddy simulation of turbulent flow through submerged vegetation. Transport in Porous Media, 78(3 SPEC. ISS.), 347-365. https://doi.org/10.1007/S11242-009-9371-8/METRICS
19. 19. Sturm, T. W., York, N., San, C., Athens, F., ve Madrid, L. (2021). Open channel hydraulics (Third Edition), McGraw-Hill.
20. 20. Şibil, R., Aras, E., ve Kankal, M. (2021). Comparison of various turbulence model performance in computational fluid dynamics analyses of the oxidation ditches with experimental validation. Process Safety and Environmental Protection, 154, 43-59. https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.07.046
21. 21. Şimşek, O. (2020). Farklı Akım Koşullarına Sahip Açık Kanal Akımının Sayısal Modellemesi. Türk Doğa ve Fen Dergisi, 91-100. https://doi.org/10.46810/TDFD.725612
22. 22. Şimşek, O., Aköz, M. S., ve Gümüş, V. (2011). Eğrisel Geniş Başlıklı Savak Üzerinden Geçen Açık Kanal Akımının Deneysel ve Teorik Analizi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 26(2), 47-55.
23. 23. Tang, X., Guan, Y., Cao, J., Wang, H., Xiao, N., ve Zhang, S. (2023). Effect of Vertically-Layered Vegetation on the Velocity of Open Channel Flow. Içinde Z. Sun ve P. Das (Ed.), Proceedings of the 9th International Conference on Energy Engineering and Environmental Engineering (ss. 319-328). Springer International Publishing.
24. 24. Wang, J., He, G., Dey, S., ve Fang, H. (2022). Fluid–structure interaction in a flexible vegetation canopy in an open channel. Journal of Fluid Mechanics, 951, A41. https://doi.org/DOI: 10.1017/jfm.2022.899
25. 25. Wilcox, D. C. (2006). -Turbulence Modeling for CFD (Third). DCW Industries, Inc.
26. 26. Yakhot, V., ve Orszag, S. A. (1986). Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of Scientific Computing, 1(1), 3-51. https://doi.org/10.1007/BF01061452
27. 27. Yılmazer, D., Ayna, G., Ozan, A. Y., ve Cihan, K. (2022). Tam batmış bitki tarlasının açık kanal akım hızlarına etkisinin flow-3d ile modellenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 24(2), 757-769. https://doi.org/10.25092/BAUNFBED.1066999