Free surface profile and inception point as characteristics of aerated flow over stepped spillway: Numerical study

• Autorzy: Bentalha Chakib , Habi Mohamed

Identyfikatory

DOI

10.2478/jwld-2019-0043

Warianty tytułu

PL

Profil swobodnej powierzchni w warunkach przepływu przez przelew schodkowy i położenie turbulentnej przydennej warstwy granicznej: Studia numeryczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Stepped spillway is hydraulic structure designed to dissipate the excess in kinetic energy at the downstream of dams and can reduce the size of stilling basin at the toe of the spillway or chute. The flow on a stepped spillway is characterised by the large aeration that can prevent or reduce the cavitation damage. The air entrainment starts where the boundary layer attains the free surface of flow; this point is called “point of inception”. Within this work the inception point is determined by using software Ansys Fluent where the volume of fluid (VOF) model is used as a tool to track the free surface thereby the turbulence closure is derived in the k – ε turbulence standard model. This research aims to find new formulas for describe the variation of water depth at step edge and the positions of the inception point, at the same time the contour map of velocity, turbulent kinetic energy and strain rate are presented. The found numerical results agree well with experimental results like the values of computed and measured water depth at the inception point and the numerical and experimental inception point locations. Also, the dimensionless water depth profile obtained by numerical method agrees well with that of measurement. This study confirmed that the Ansys Fluent is a robust software for simulating air entrainment and exploring more characteristics of flow over stepped spillways.

PL

Przelew schodkowy jest budowlą hydrauliczną projektowaną w celu rozpraszania nadmiaru energii kinetycznej i przez to ograniczenia koniecznej głębokości w stanowisku dolnym. Przepływ przez przelew schodkowy charakteryzuje się dużym napowietrzeniem strumienia, co może zapobiec lub zmniejszyć uszkodzenia kawitacyjne powierzchni zlewowej przelewu. Porywanie powietrza rozpoczyna się tam, gdzie turbulentna przydenna warstwa graniczna osiąga swobodną powierzchnię przepływu; ten punkt nazywano „punktem początkowym”. Położenie punktu początkowego w pracy określano na podstawie wyników obliczeń programem Ansys Fluent, wykorzystującym metodę objętości skończonych płynu (VOF) wraz ze standardowym zamknięciem modelu turbulencji k – ε stosowanym w obliczaniu przepływu o swobodnej powierzchni. Celem prowadzonych badań było znalezienie nowych zależności do opisania zmian głębokości wody na stopniu schodka i położenia punktu początkowego. Przedstawiono obliczone rozkłady prędkości, turbulentnej energii kinetycznej i naprężeń. Uzyskane wyniki obliczeń są zgodne z wynikami badań eksperymentalnych.

Słowa kluczowe

EN

Ansys Fluent; free surface; inception point; standard k – ε model; stepped spillway; VOF model

PL

ANSYS Fluent; kaskadowy spust; model VOF; powierzchnia swobodna; punkt początkowy; standardowy model k – ε

• Wydawca: Wydawnictwo ITP
• Czasopismo: Journal of Water and Land Development
• Rocznik: 2019
• Tom: no. 42
• Strony: 42--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bentalha Chakib

• Abou Bakr Belkaid University, Department of Hydraulic, Faculty of Technology, Tlemcen, 13000, BP 230, Algeria

autor

Habi Mohamed

• Abou Bakr Belkaid University, Department of Hydraulic, Faculty of Technology, Tlemcen, 13000, BP 230, Algeria

Bibliografia

• Ansys Inc. 2014. ANSYS Fluent Version 15.0.7.
• BENTALHA C., HABI M. 2015. Numerical simulation of air entrainment for flat-sloped stepped spillway. Journal of Computational Multiphase Flows. Vol. 7. No. 1 p. 33–41.
• BOES R.M., HAGER W.H. 2003. Two-phase flow characteristics of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 129. No. 9 p. 661–670.
• BOMBARDELLI F.A., MEIRELES I., MATOS J. 2011. Laboratory measurements and multi-block numerical simulations of the mean flow and turbulence in the non-aerated skimming flow region of steep stepped spillways. Environmental Fluid Mechanics. Vol. 11. Iss. 3 p. 263–288. DOI 10.1007/s10652-010-9188-6.
• CHANSON H. 1997. Air bubble entrainment in free-surface turbulent shear flows. London. Academic Press. ISBN 0-12-168110-6 pp. 401.
• CHANSON H. 2001a. The hydraulics of stepped chutes and spillways. Rotterdam. Balkema Publ. ISBN 9789058093523 pp. 424.
• CHANSON H. 2001b. Hydraulic design of stepped spillways and downstream energy dissipators. Dam Engineering. Vol. 11. No. 4 p. 205–242.
• CHEN Q., DAI G.Q., LIU H.W. 2002. Volume of fluid model for turbulence numerical simulation of stepped spillway over flow. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 128. No. 7 p. 683–688.
• CHENG X., CHEN Y., LUO L. 2006. Numerical simulation of airwater two-phase flow over stepped spillways. Science in China. Ser. E. Technological Sciences. Vol. 49. No. 6 p. 674–684.
• CHRISTODOULOU G.C. 1993. Energy dissipation on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 119. No. 5 p. 644–650.
• EGHBALZADEH A., JAVAN M. 2012. Comparison of mixture and VOF models for numerical simulation of air–entrainment in skimming flow over stepped spillway. Procedia Engineering. Vol. 28 p. 657–660.
• FELDER S. 2013. Air-water flow properties on stepped spillways for embankment dams: aeration, energy dissipation and turbulence on uniform, non-uniform and pooled stepped chutes. PhD Thesis. Brisbane. School of Civil Engineering, The University of Queensland, Australia pp. 454.
• FRIZELL K.W., RENNA F.M., MATOS J. 2013. Cavitation Potential of Flow on Stepped Spillways. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 139. No. 6 p. 630–636.
• GONZALEZ C.A. 2005. An experimental study of free-surface aeration on embankment stepped chutes. PhD Thesis. Brisbane. Department of Civil Engineering, The University of Queensland, Australia pp. 240.
• HUNT S.L., KADAVY K.C. 2009. Inception point relationships for flat-slopped stepped spillways. ASABE Paper. No. 096571 St. Joseph, Mich. ASABE.
• LAUNDER B.E., SPALDING D.B. 1974. The numerical computation of turbulent flows, computer methods in applied. Mechanics and Engineering. Vol. 3 p. 269–289.
• QIAN Z., HU X., HUAI W., AMADOR A. 2009. Numerical simulation and analysis of water flow over stepped spillways. Science in China. Ser. E. Technological Sciences. Vol. 52. No.. 7 p. 1958–1965.
• RAJARATNAM N. 1990. Skimming flow in stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering.Vol. 116. No. 4 p. 587–591.
• RICE CH.E., KADAVY K.C. 1996. Model of a roller compacted concrete stepped spillway. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 122. No. 6 p. 292–297.
• SARFARAZ M., ATTARI J., PFISTER M. 2012. Numerical Computation of Inception Point Location for Steeply Sloping Stepped Spillways [9th International Congress on Civil Engineering]. [8–10.05.2012 Isfahan].
• WOOD I.R., ACKERS P., LOVELESS J. 1983. General method for critical point on spillways. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 109. No. 2 p. 308–312.
• ZHANG G., CHANSON H. 2015. Hydraulics of the developing flow region of stepped cascades: an experimental investigation. Report CH97/15. Brisbane. School of Civil Engineering, The University of Queensland pp. 78.
• ZHANG G., CHANSON H. 2016. Hydraulics of the developing flow region of stepped spillways. I: Physical modeling and boundary layer development. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 142. No. 7: 04016015.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).