NUMERICAL MODELING OF OVERSHOT GATE FLOW

Öz

Overshot gates, called pivot weir, are often used to control the flow, and regulate flow depth in open channel flows. Pivot weirs are advantageous compared to other weir types because they provide the desired level of water intake and level control. In this study, the flow passing overshot gate placed at different angles to the channel bottom is numerically modeled. In numerical modeling, the basic equations that govern of the flow are solved using the Reynolds Stress Model (RSM) with the help of ANSYS-Fluent package program, which makes a solution based on finite volumes method. Volume of Fluid Method (VOF) was used to determine the water-air intersection. Numerical water surface profiles, the properties of the vena contract and contraction coefficients obtained using the RSM turbulence model at 6 different gate angles, were compared with experimental surface profiles and values. As a result of the comparison, it was determined that the RSM model, gives successful results in flows with curvature in the streamlines, is successful in numerical modeling of the overshot gate flow with different angles. In addition, velocity, dynamic pressure and streamlines distributions obtained numerically were evaluated.

Anahtar Kelimeler

• Volume of Fluid Method
• Pressure Distribution
• Contraction Coefficient
• Overshot Gate
• Numerical Modeling

ÜSTTEN AKIŞLI KAPAK AKIMININ SAYISAL MODELLEMESİ

Öz

Pivot savak olarak adlandırılan üstten akışlı kapaklar, açık kanal akımlarında akımı kontrol etmek ve düzenlemek için oldukça sık kullanılmaktadır. Pivot savaklar, istenilen seviyede su alma imkânı ve seviye kontrolü sağlamasından dolayı diğer savak türlerine göre daha avantajlıdır. Bu çalışmada, kanal tabanına farklı açılarda yerleştirilmiş üstten akışlı kapak üzerinden geçen akım sayısal olarak modellenmiştir. Sayısal modellemede akımı idare eden temel denklemler, sonlu hacimler yöntemine dayalı çözüm yapan ANSYS- Fluent paket programı yardımıyla, Reynolds Gerilme Modeli (Reynolds Stress Model-RSM) kullanılarak çözülmüştür. Su-hava arakesitinin belirlenmesinde ise akışkan hacimleri yöntemi kullanılmıştır. 6 farklı kapak açısında, RSM türbülans modeli kullanılarak elde edilen sayısal su yüzü profilleri, vena kontratta noktasının özellikleri ve daralma katsayıları, deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, akım çizgilerinde eğriselliğin bulunduğu akımlarda başarılı sonuçlar veren RSM modelinin, farklı açılara sahip üstten akışlı kapak üzerinden geçen akımın sayısal modellemesinde başarılı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, sayısal olarak elde edilen hız, dinamik basınç ve akım çizgilerinin dağılımları değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Akışkan Hacimleri Yöntemi
• Basınç Dağılımları
• Daralma Katsayısı
• Üstten Akışlı Kapak
• Sayısal modelleme

Kaynakça

1. Akoz, M. S., Gumus, V., Kirkgoz, M. S., 2014. Numerical Simulation of Flow over a Semi-cylinder Weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 140(6), 04014016.
2. Amano, R. S., Goel, P., 1984. A Numerical Study of a Separating and Reattaching Flow by Using Reynolds-Stress Turbulence Closure. Numerical Heat Transfer, 7(3), 343-357.
3. ANSYS, 2012. FLUENT Theory Guide. USA: ANSYS Inc.ANSYS, 2012. FLUENT Theory Guide. USA: ANSYS Inc.
4. Aydin, M. C., 2012. CFD Simulation of Free-Surface Flow over Triangular Labyrinth Side Weir. Advances in Engineering Software, 45(1), 159-166.
5. Gonzalez, C. A., Chanson, H., 2007. Experimental Measurements of Velocity and Pressure Distributions on a Large Broad-Crested Weir. Flow Measurement and Instrumentation, 18(3-4), 107-113.
6. Gümüş, V., Şimşek, O., Soydan, N. G., Aköz, M. S., Kırkgöz, M. S., 2018. Akışkan Hacimleri Yöntemiyle Yapılan Sayısal Modellemelerde Yan Duvar Etkisinin İncelenmesi. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 3(3), 15-21.
7. Gümüş, V., Parmaksız, M., Şimşek, O., Avşaroğlu, Y., 2019. Farklı Akım Koşullarına Sahip Serbest Hidrolik Sıçramanın Deneysel ve Sayısal Modellemesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(2), 447-466.
8. Gümüş, V., Şimşek, O., Bal, Ş,. 2019. Değişken Enkesitli Açık Kanal Akımının Deneysel ve Sayısal Modellemesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 7(4), 938-956.

9. Harrison, A. J. M., Montes, S., Manning, A., Halliwell, A., Williams, J., Markland, E., Allen, J., Hill, J. A., Bunt, E. A., Abbott, M. B., Smith, C. D., Herschy, R. W., Engel, F. V. A., Hall, G. W., 1969. The Streamlined Broad-Crested Weir. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 42(4), 575-599.
10. Hirt, C. W., Nichols, B. D., 1981. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201-225.
11. İlkentapar, M., Öner, A., 2017. Geniş Başlıklı Savak Etrafındaki Akımın İncelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6 (2), 615-626.
12. Kirkgöz MS, Ardiçlioğlu M. 1997. Velocity Profiles of Developing and Developed Open Channel Flow, Journal of Hydraulic Engineering, 123(12),1099-105.
13. Kirkgoz, M. S., Akoz, M. S., Oner, A. A., 2008. Experimental and Theoretical Analyses of Two-Dimensional Flows Upstream of Broad-Crested Weirs. Canadian Journal of Civil Engineering, 35(9), 975-986.
14. Kirkgoz, M. S., Akoz, M. S., Oner, A. A., 2009. Numerical Modeling of Flow over a Chute Spillway. Journal of Hydraulic Research, 47(6), 790-797.
15. Launder, B. E., Spalding, D. B., 1972. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, New York. Academic Press.
16. Machiels, O., Erpicum, S., Dewals, B. J., Archambeau, P., Pirotton, M., 2011. Experimental Observation of Flow Characteristics over a Piano Key Weir. Journal of Hydraulic Research, 49(3), 359-366.
17. Mahdavi, A., Shahkarami, N., 2020. SPH Analysis of Free Surface Flow over Pivot Weirs. KSCE Journal of Civil Engineering, 1-12.
18. Muslu, Y., 2001. Numerical Analysis for Lateral Weir Flow. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 127(4), 246-253.
19. Oner, A. A., Akoz M. S., Kirkgoz M. S., Gumus V., 2012. Experimental Validation of Volume of Fluid Method for a Sluice Gate Flow. Advances in Mechanical Engineering, 4, 461708.
20. Roache, P. J., 1998. Verification of Codes and Calculations, AIAA Journal, 36(5), 696-702.
21. Simsek, O., Akoz, M. S., 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.
22. Soydan Oksal, N. G., Akoz, M. S., Simsek, O., 2020. Numerical Modelling of Trapezoidal Weir Flow with RANS, LES and DES Models. Sadhana, 45(1), 91.
23. Soydan, N. G., Aköz, M. S., Şimşek, O., Gümüş, V., 2012. Trapez Kesitli Geniş Başlıklı Savak Akımının k-e Tabanlı Türbülans Modelleri ile Sayısal Modellenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27(2), 47-58.
24. Soydan, N. G., Şimşek, O., Aköz, M. S., 2017. Prediction and Validation of Turbulent Flow around a Cylindrical Weir. European Water, 57, 85-92.
25. USBR (1948). Studies of Crests for Overfall Dams. Bulletin 3. Boulder Canyon Project, Final Report. US Bureau of Reclamation, US Dept. of Interior, Denver, CO. 186 pp.
26. Wahlin, B. T., Replogle, J. A., 1994. Flow Measurement Using an Overshot Gate. UMA Engineering, 1-25.
27. Yakinthos, K., Vlahostergios, Z., Goulas, A., 2008. Modeling the Flow in a 90 Rectangular Duct Using one Reynolds-Stress and Two Eddy-Viscosity Models. International Journal of Heat and Fluid Flow, 29(1), 35-47.