Study of skimming flow in flat slope stepped channels

Abstract

In this thesis, the results of a numerical modeling study that addresses the skimming flow properties in flat slope stepped channels, are presented and analyzed. Experimental data of mean flow velocity profiles from Hunt and Kadavy's physical model was used for the calibration of the results obtained with a numerical model performed with the commercial CFD tool: Ansys Fluent. SST k-omega was selected for turbulence modeling and Mixture model for the free surface tracking process, but as the flow aeration downstream the inception point wasn't captured by the mentioned models, a "data adjustment procedure" was proposed to be able to compare the experimental data from measuring stations with air entrance, with the numerical results. This work presents a hydrodynamical diagnosis addressing the relations between the mean flow velocity, static pressure, turbulent kinetic energy production and viscous dissipation rates along the skimming flow domain. Additional runs with wall roughness, riser height (h) and tread length (l) variations were performed to conclude about the effects in the mentioned hydrodynamical variables.

Resumen: En esta tesis se presentan y analizan los resultados de un estudio de modelación numérica que aborda las propiedades del flujo rasante en canales escalonados de baja pendiente. Los datos experimentales de los perfiles de velocidad del flujo medio del modelo físico de Hunt y Kadavy, se usaron para la calibración de los resultados obtenidos con un modelo numérico realizado con la herramienta comercial CFD: Ansys Fluent. SST k-omega fue seleccionado para el modelado de la turbulencia y el modelo "Mixture" para el proceso de rastreo de la superficie libre, pero como la aireación de flujo aguas abajo del punto de incepción no fue capturada por los modelos mencionados, se realizó un "procedimiento de ajuste de datos" para poder comparar la información experimental de las estaciones de medición con entrada de aire, con los resultados numéricos. Este trabajo presenta un diagnóstico hidrodinámico que aborda las relaciones entre la velocidad, la presión estática y las tasas de producción y disipación viscosa de la energía cinética turbulenta del flujo medio, en todo el dominio del flujo rasante. Se llevaron a cabo corridas adicionales con variaciones en la rugosidad de la pared, la altura de la contrahuella (h) y la longitud de la huella (l) para concluir acerca de los efectos en las variables hidrodinámicas mencionadas.