Numerical analysis of air-water flows in hydraulic structures using computational fluid dynamics (CFD)

Abstract

The new legal regulations derived from climate change dictate that hydraulic structures must be designed to handle flood events associated with return periods up to 10,000 years. This obviously involves adapting the existing infrastructure to meet such requirements. In order to avoid risks in the restitution of the flow discharged to rivers, such as bank overflows or streambed erosion and scour processes, hydraulic design must be supported by reliable tools capable of reproducing the behavior of hydraulic structures. In the work presented herein, a fully three-dimensional CFD model to reproduce the behavior of different types of air-water flow in hydraulic structures is presented. The flow is assumed to be turbulent, isotropic and incompressible. Several RANS turbulence models are tested and structured rectangular meshes are employed to discretize the analyzed domain. The presence of two fluids is modeled using different VOF approaches and simulations are run using the PIMPLE algorithm. The model is implemented using the open-source platform OpenFOAM and its performance is compared to the commercial code FLOW-3D. The analysis is conducted separately on two different parts of hydraulic structures, namely: the spillway and the stilling basin. Additionally, a case of practical application, where the model reproduces the flow of a real-life case, is also presented in order to prove the suitability of the model to actual design cases. Mesh independence and model validation using experimental data are checked in the results of all the case studies. The sensitivity of the presented model to certain parameters is extensively discussed using different indicator variables. Among these parameters are turbulence closure, discretization scheme, surface tracking approach, CFD code or boundary conditions. Pros and contras of each of them are addressed. The analyzed turbulence models are the Standard k ¿ ¿, the Realizable k ¿ ¿, the RNG k ¿ ¿, and the SST k ¿ ¿. The discretization schemes under study are: a first-order upwind method, the second-order limited Van Leer method, and a second-order limited central difference method. The VOF approaches analyzed are the Partial VOF, as implemented in OpenFOAM, and the TruVOF, as implemented in FLOW-3D. In most cases, the Standard k ¿ ¿ model provides the most accurate estimations of water free surface profiles, although the rest of variables, with few exceptions, are better predicted by the RNG k ¿ ¿. The latter model generally requires slightly longer computation times. The SST k ¿ ¿ reproduces correctly the phenomena under study, although it generally turned out to be less accurate than its k ¿ ¿ counterparts. As regards the comparison among VOF approaches and codes, it is impossible to determine which one performs best. E.g. OpenFOAM, using the Partial VOF, managed to reproduce the in- ternal hydraulic jump structure and all derived variables better than FLOW-3D, using the TruVOF, although the latter seems to capture better the momentum transfer and so all derived variables. In the case of flow in stepped spillways, OpenFOAM captures better the velocity profiles, although FLOW-3D is more accurate when estimating the water free surface profile. It is worth remark- ing that not even their response to certain model parameters is comparable. E.g. FLOW-3D is significantly less sensitive to mesh refinement than OpenFOAM. Given the result accuracy achieved in all cases, the proposed model is fully applicable to more complex design cases, where stilling basins, stepped spillways and hydraulic structures in general must be investigated.

Las nuevas disposiciones legales derivadas del cambio climático dictaminan que las estructuras hidráulicas sean capaces de funcionar correctamente con eventos de inundación asociados a periodos de retorno de hasta 10,000 años. Esto, obviamente, implica adaptar la infraestructura existente para satisfacer dichos requerimientos. A fin de evitar riesgos en la restitución de los caudales vertidos al río, como desbordamientos o procesos erosivos y de socavación, el diseño hidráulico ha de sustentarse en herramientas fiables capaces de reproducir el comportamiento de las estructuras hidráulicas.

En este trabajo, se presenta un modelo numérico CFD completamente tridimensional para reproducir el comportamiento de diferentes tipos de flujo aire-agua en estructuras hidráulicas. Se asume que el flujo es turbulento, isotrópico e incompresible. Diversos modelos de turbulencia RANS son contrastados y se emplean mallas estructuradas rectanuglares para discretizar el dominio analizado. La presencia de dos fluidos es modelada utilizando diferentes enfoques VOF y las simulaciones son ejecutadas empleando el algoritmo PIMPLE. El modelo es implementado mediante la plataforma de código abierto OpenFOAM y su respuesta es comparada con la del modelo comercial FLOW-3D. El análisis se lleva a cabo sobre dos partes diferentes de una estructura hidráulica, a saber, el aliviadero y el cuenco amortiguador, de forma separada. Además, un caso de aplicación práctica, donde el modelo reproduce el flujo en una estructura real, es presentado también a fin de probar la adecuación del modelo a casos de diseño aplicado.

Se comprueban la independencia de la malla y la validación con datos experimentales de los resultados de todos los casos de estudio. La sensibilidad del modelo presentado a ciertos parámetros es analizada de forma exhaustiva empleando diferentes variables indicadoras. Los pros y contras de cada uno de éstos son planteados. Los modelos de turbulencia analizados son el Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon y el SST k-omega. Los esquemas de discretización estudiados son: un método de primer orden upwind, uno de Van Leer de segundo orden y un esquema de segundo orden limitado de diferencias centradas. Los enfoques VOF analizados son el Partial VOF, implementado en OpenFOAM, y el TruVOF, implementado en FLOW-3D.

En la mayoría de casos, el modelo k-epsilon aporta las estimaciones más precisas de perfiles de lámina libre de agua, pese a que el resto de variables, con alguna excepción, son mejor predichas por el RNG k-epsilon. Este modelo generalmente requiere mayores tiempos de cálculo. El k-omega reproduce correctamente los fenómenos bajo estudio, pese a que su precisión es generalmente más baja que la de los modelos k-epsilon.

En lo que respecta a la comparación entre enfoques VOF y códigos, es imposible determinar cuál es el mejor. Por ejemplo, OpenFOAM, empleando el Partial VOF, logra reproducir la estructura interna del resalto hidráulico y todas las variables derivadas mejor que FLOW-3D, empleando el TruVOF, a pesar de que este último parece capturar mejor la transferencia de cantidad de movimiento y, por tanto, todas las variables derivadas. En el caso del flujo en aliviaderos escalonados, OpenFOAM captura mejor los perfiles de velocidad, pese a que FLOW-3D es más preciso en la estimación de los perfiles de lámina libre de agua. Conviene recalcar que ni tan sólo su respuesta a ciertos parámetros del modelo es comparable. Por ejemplo, FLOW-3D es significativamente menos sensible al refinado de malla que OpenFOAM.

A la luz de la precisión de los resultados obtenidos en todos los casos, el modelo propuesto es completamente aplicable a casos de diseño más complejos, donde cuencos amortiguadores, aliviaderos escalonados y estructuras hidráulicas en general han de ser investigadas.

Les noves disposicions legals derivades del canvi climàtic dictaminen que cal que les estructures hidràuliques siguen capaces de funcionar correctament amb esdeveniments d'inundació associats a períodes de retorn de fins a 10,000 anys. Això, òbviament, implica adaptar la infraestrctura existent per satisfer aquests requeriments. A fi d'evitar riscs en la restitució dels cabals vessats al riu, com desbordaments o processos erosius i de socavació, el disseny hidràulic ha de recolzar-se en ferramentes fiables capaces de reproduir el comportament de les estructures hidràuliques.

En aquest treball, es prsenta un model numèric CFD completament tridimensional per a reproduir el comportament de diferents tipus de flux aire-aigua en estructures hidràuliques. S'assumeix que el flux és turbulent, isotròpic i incompressible. Diferents models de turbulència RANS són contrastats i s'empren malles estructurades rectangulars per discretitzar el domini analitzat. La presència de dos fluids és modelada utilitzant diferents enfocaments VOF i les simulacions són executades emprant l'algorisme PIMPLE. El model és implementat mitjançant la plataforma de codi obert OpenFOAM i la seua resposta és comparada amb la del codi comercial FLOW-3D. L'anàlisi es du a terme sobre les diferents parts d'una estructura hidràulica, a saber, sobreeixidors esgraonats i vas esmorteïdor, de forma separada. A més, un cas d'aplicació pràctica, on el model reprodueix el flux a una estructura real, és presentat també a fi de provar l'adequació del model a casos de disseny aplicat.

Es comproven la independència de la malla i la validació amb dades experimentals dels resultats de tots els casos d'estudi. La sensibilitat del model presentat a certs paràmetres és analitzada de forma exhaustiva emprant diferents variables indicadores. Els pros i contres de cadascun d'aquests són plantejats. Els models de turbulència analitzats són l'Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon i l'SST k-omega. Els esquemes de discretització estudiats són: un mètode de primer ordre upwind, un de Van Leer de segon ordre i un esquema de segon ordre limitat de diferències centrades. Els enfocaments VOF analitzats són el Partial VOF, implementat en OpenFOAM, i el TruVOF, implementat en FLOW-3D.

En la majoria de casos, el model Standard k-epsilon aporta les estimacions més precises de perfils de làmina lliure d'aigua, tot i que la resta de variables, amb alguna excepció, són millor predites pel RNG k-epsilon. Aquest model generalment requereix majors temps de càlcul. El k-omega reprodueix correctament els fenòmens sota estudi, tot i que la seua precisió és generalment més baixa que la dels models k-epsilon.

Pel que fa la comparació entre enfocaments VOF i codis, és impossible determinar quin és el millor. Per exemple, OpenFOAM, emprant el Partial VOF, aconsegueix reproduir l'estructura interna del ressalt hidràulic i totes les variables derivades millor que FLOW-3D, emprant el TruVOF, tot i que aquest últim pareix capturar millor la transferència de quantitat de moviment i, per tant, totes les variables derivades. En el cas del flux en sobreeixidors esgraonats, OpenFOAM captura millor els perfils de velocitat, tot i que FLOW-3D és més precís en estimar els perfils de làmina lliure d'aigua. Cal deixar palès que ni tan sols la seua resposta a certs paràmetres del model és comparable. Per exemple, FLOW-3D és significativament menys sensible al refinament de malla que OpenFOAM.

En base a la precisió dels resultats obtinguts en tots els casos, el model proposat és completament aplicable a casos de disseny més complexos, on vassos esmorteïdors, sobreeixidors esgraonats i estructures hidràuliques en general han de ser investigades.