Three-dimensional numerical analysis of flow structure and sediment transport process in open channels

Abstract

This research project focuses on the analysis and prediction of flow structures and sediment transport process in open channels by using three-dimensional numerical models.

The numerical study was performed using the open source computational fluid dynamics (CFD) solver based on the finite volume method (FVM) – OpenFOAM. Turbulence is treated by means of the two main methodologies; i.e. Large Eddy Simulation (LES) and Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS). The free surface is tracked using the Volume of Fluid method (VOF). In addition, a new multi-dimensional model for sediment transport based on the Eulerian two-phase mathematical formulation is applied.

The results obtained from the different numerical configurations are verified and validated against experimental data sets published in important research journals. The main characteristics of the flow structures are studied by using three set-up cases in steady and unsteady-state (transient) hydraulic flow conditions. On the other hand, the new multi-dimensional model for sediment transport is applied to predict the local scour caused by submerged wall jet test-case.

Non-uniform structured elements are used in the grid configuration of the computational domains. A mesh sensitivity analysis is performed in each test-case study in order to obtain independent grid results. This analysis provides a balance between accuracy and optimal computational time.

The results demonstrate that the three-dimensional numerical configurations satisfactorily reproduce the temporal variation of the different variables under study with correct trends and high correlation with the experimental values.

Regarding the analysis and prediction of the flow structures, the results show the importance of the turbulence approach in the numerical configuration. On the other hand, the results of the new multi-dimensional two-phase model allow to analyze the full dynamics for sediment transport (concentration profile).

Although the numerical results are satisfactory, the application of three-dimensional numerical models in field-scale cases requires a high computational resource.

Este trabajo de investigación se enfoca en el análisis y predicción de las estructuras de flujo y el proceso de transporte de sedimentos en canales abiertos mediante el uso de modelos numéricos tridimensionales. El estudio numérico se realizó utilizando el software de dinámica de fluidos computacional o CFD (por sus siglas en inglés) basado en el método de volúmenes finitos (FVM) - OpenFOAM. La influencia de la turbulencia es analizada con las dos principales metodologías, LES (Large Eddy Simulation) y RANS (Reynolds-Averaged Navier¿ Stokes); mientras que el método VOF (Volume of Fluid) es usado para la captura de la superficie libre del agua. Además, se aplica un nuevo modelo multidimensional para el transporte de sedimentos basado en la formulación matemática Euleriana de dos fases. Los resultados obtenidos de las diferentes configuraciones numéricas son verificados y validados con datos experimentales publicados en importantes revistas de investigación. Las características principales de las diferentes estructuras de flujo se estudian en tres casos que incluyen condiciones de flujo estacionario y no estacionario (también conocido como flujo transitorio). Por otro lado, el nuevo modelo multidimensional para el estudio de transporte de sedimentos se aplica para predecir la socavación producida en un caso experimental de chorro de fondo sobre lecho erosionable. Los dominios computacionales son configurados con elementos estructurados no uniformes. Además, se realiza un análisis de sensibilidad en cada caso de estudio con el objetivo de obtener resultados independientes del tamaño de mallas utilizadas. Este análisis permite encontrar un equilibrio entre la precisión de los resultados y un tiempo de cálculo óptimo. Los resultados muestran que las configuraciones numéricas son capaces de reproducir satisfactoriamente las diferentes variables en estudio, con tendencias correctas y una alta correlación con los valores experimentales. Con respecto al análisis y predicción de las estructuras de flujo, los resultados revelan la importancia que tiene el uso del modelo de turbulencia en la configuración numérica. Por otro lado, los resultados obtenidos con el uso de un nuevo modelo multidimensional de dos fases permiten analizar la dinámica completa del transporte de sedimentos (perfil de concentración). Aunque los resultados numéricos son satisfactorios, la aplicación de modelos tridimensionales en casos a escala de campo exige un considerable recurso computacional en velocidad de cálculo y almacenamiento de datos.