Modelling of dam break flood wave propagation in case trapezoidal contraction on downstream using SWEs

Abstract

Since the flood wave resulting from the dam-break can cause loss of lives and properties, it is a significant field in the hydraulic studies. However, researchers have limited knowledge regarding the phenomena due to the lack of the real case dam-break data. Experimental studies producing the dam-break data are important to better understand the problem and validate the numerical or analytical data. Surface profiles and water levels of a dam-break flow in the case of downstream contraction were analyzed in the present study. Experimental and numerical results were compared using free surface profiles and water level- time curves. 2D shallow water equations (SWEs) with exact Riemann solver inside the free BASEMENT software were employed to obtain the numerical results. Experimental results were acquired using image processing technique. It was concluded that the results agree well and model based on 2D SWEs is able to solve the dam-break problem in case trapezoidal contraction on the downstream. In addition, this method was considered as a useful method that offers faster and reliable solution compared to 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes equations, which require more advanced computer technology.

Keywords

• Dam break
• Contraction
• Shallow water equations
• Numerical model

Mansapta trapez daralma olması durumunda baraj yıkılması taşkın dalgası yayılımının sığ su denklemleri ile modellenmesi

Öz

Baraj yıkılması sonucu oluşan taşkın dalgası can ve mal kayıplarına sebep olabileceği için hidrolik alanında önemli bir çalışma konusudur. Ancak gerçek baraj yıkılması olayına ait veriler yetersizdir ve bu durum konu ile ilgili araştırmacıların bilgisini de sınırlamaktadır. Bu nedenle baraj yıkılması verisi üreten deneysel çalışmalar hem konunun daha iyi anlaşılması hem de nümerik ve analitik yöntemlerin doğrulanması için büyük önem taşımaktadırlar. Bu çalışmada, mansap bölgesinde trapez daralma bulunması durumundaki baraj yıkılması akımına ait yüzey profilleri ve noktasal su seviyesi değişimleri incelenmiştir. Verilerin karşılaştırılması deneysel ve sayısal olarak yapılmıştır. Sayısal veriler ücretsiz BASEMENT yazılımında bulunan 2 boyutlu sığ su denklemleri yardımıyla elde edilmiştir. Riemann çözücü olarak ise tam çözücü kullanılmıştır. Deneysel sonuçlara ise görüntü işleme yöntemi aracılığı ile ulaşılmıştır. Sonuçların uyum içerisinde olduğu ve 2 boyutlu sığ su denklemlerine dayanan analizin mansapta trapez daralma bulunan bir baraj yıkılması problemini çözebilme kapasitesi olduğu gözlenmiştir. Ayrıca bu yöntem, daha gelişmiş bilgisayar teknolojisi gerektiren 3 boyutlu Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes denklemlerine kıyasla hızlı çözüm imkanı sunan kullanışlı bir yöntem olarak değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Baraj yıkılması
• Kesit daralması
• Sığ su denklemleri
• Sayısal model

Kaynakça

1. P. Garcia-Navarro, A. Fras and I. Villanueva, Dam-break flow simulation: some results for one-dimensional models of real cases, Journal of Hydrology, 216 (3), 227-247, 1999. https://doi.org/ 10. 1016/S0022-1694(99 )00007-4.
2. F. Aureli, P. Mignosa and M. Tomirotti, Numerical simulation and experimental verification of dam-break flows with shocks. Journal of Hydraulic Research, 38 (3), 197-206, 2000. https://doi.org/10.1080/ 0022168 0009498337.
3. S. Kocaman, Baraj yıkılması probleminin deneysel ve teorik incelenmesi. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, Türkiye, 2007.
4. P. Brufau and P. Garcia-Navarro, Two-dimensional dam break flow simulation, International Journal for Numerical Methods In Fluids, 33 (1), 35-57, 2000. https://doi.org/10.1002/(SICI)10970363(20000515)33:1<35:AID-FLD999>3.0.CO;2-D .
5. Q. Liang, Simulation of shallow flows in nonuniform open channels, Journal of Fluids Engineering, 130 (1), 011205, 2008. https://doi.org/10.1115/1.2829593.
6. F. Aureli, A. Maranzoni, P. Mignosa and C. Ziveri, Dam-break flows: acquisition of experimental data through an imaging technique and 2D numerical modeling, Journal of Hydraulic Engineering, 134 (8), 1089-1101, 2008. https://doi.org/10.1061/(ASCE) 0733 -9429(2008) 134:8(1089).
7. H. Ozmen-Cagatay ve S. Kocaman, Dam-break flows during initial stage using SWE and RANS approaches, Journal of Hydraulic Research, 48 (5), 603-611, 2010. https://doi.org/10.1080/00221686.2010.507342.
8. S. Soares-Frazão and Y. Zech, Experimental study of dam-break flow against an isolated obstacle, Journal of Hydraulic Research, 45 (sup1), 27-36, 2007. https://doi .org/10.1080/00221686.2007.9521830.

9. K. Dal, Eğimli kanalda ardışık baraj yıkılmasının deneysel ve sayısal incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İskenderun Teknik Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2018.
10. A. Yılmaz, Akışkan-yapı etkileşimi problemlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İskenderun Teknik Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2019.
11. B. Erdoğan, Dikdörtgen tank içerisindeki çalkantı hareketinin deneysel ve nümerik olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İskenderun Teknik Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2018.
12. S. Kocaman, H. Ozmen-Cagatay, The effect of lateral channel contraction on dam break flows: laboratory experiment, Journal of Hydrology, 432, 145-153, 2012. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.02.035.
13. S. Kocaman, C. Ateş ve K. Dal, Dikdörtgen kesitli kanalda kuru yatak üzerinde yayılan baraj yıkılması akımının sığ su denklemleri ile modellenmesi, 2nd International Symposium on Innovative Approaches in Scientific Studies, Samsun, Türkiye, 30 Kasım - 02 Aralık 2018.
14. Y. Zhang and P. Lin, An improved SWE model for simulation of dam-break flows. Institution of Civil Engineers-Water Management, 169 (6), 260-274, 2016. https://doi.org/10.1680/wama.15.00021.
15. S. Kocaman and H. Ozmen-Cagatay, Investigation of dam-break induced shock waves impact on a vertical wall. Journal of Hydrology, 525, 1-12, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.040.
16. X. G. Zheng, J. H. Pu, R. D. Chen, X. N. Liu and S. D. Shao, A novel explicit-implicit coupled solution method of SWE for long-term river meandering process induced by dam break. Journal of Applied Fluid Mechanics, 9 (6), 2647-2660, 2016. https://doi.org/doi:10.29252/jafm.09.06.25969
17. O. Castro-Orgaz and H. Chanson, Undular and broken surges in dam-break flows: a review of wave breaking strategies in a boussinesq-type framework, Environ mental Fluid Mechanics, 20, 1383–1416, 2020. https://doi .org /10.1007/s10652-020-09749-3
18. Y. Wu, L. Tian, M. Rubinato, S. Gu, T. Yu, Z. Xu and Q. Zhao, A new parallel framework of SPH-SWE for dam break simulation based on OpenMP, Water, 12 (5), 1395, 2020. https://doi.org/10.3390/w12051395
19. S. Kocaman ve K. Dal, A new experimental study and SPH comparison for the sequential dam-break problem. Journal of Marine Science and Engineering, 8 (11), 905, 2020. https://doi.org/10.3390/jmse8110905
20. W. Bechteler, M. Nujic and A. J. Otto, Program package FLOODSIM and its application, Advances in Hydro-Science and–Engineering, 762-767, 1993.
21. R. Faeh, R. Mueller, P. Rousselot, R. Veprek, D Vetsch, C. Volz, L. Vonwiller, L., Farshi, D, BASEMENT – basic simulation environment for computation of environmental flow and natural hazard simulation, VAW, ETH Zurich. http://www.baseme nt.ethz.ch, (Erişim tarihi: Temmuz, 27, 2017).
22. S. Kocaman, H. Güzel, S. Evangelista, H. Ozmen-Cagatay ve G. Viccione, Experimental and numerical analysis of a dam-break flow through different contraction geometries of the channel, Water, 12 (4) 1124, 2020. https://doi.org/10.3390/w12041124
23. H. Ozmen-Cagatay ve S. Kocaman, Dam-break flow in the presence of obstacle: experiment and CFD simulation. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 5(4), 541-552, 2011. https://doi.org/1 0.1080/19942060.2011.11015393
24. B .N. İşcen, N. Öktem, B. Yılmaz ve İ. Aydın, Sığ akım denklemlerinin hidrolikte kullanılması üzerine değerlendirmeler, İMO Teknik Dergi, 28 (1), 7747-7764, 2017.
25. S. Kocaman, S. Evangelista, H. Guzel K. Dal, A. Yilmaz, G. Viccione. Experimental and numerical investigation of 3D dam-break wave propagation in an enclosed domain with dry and wet bottom. Applied Sciences, 11(12),5638, 2021. https://doi.org/10.3390/app11125638