Numerical Modeling of Self-Aeration in High-Speed Flows over Smooth Chute Spillways
Authors:
Associate Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti Univ., Tehran 177651719, Iran (corresponding author). ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8242-7619. Email: m_jalili@sbu.ac.ir
Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir Univ. of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran 1591634311, Iran. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8483-3186. Email: zarrati@aut.ac.ir
Mohammad J. Ostad Mirza Tehrani
Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, K. N. Toosi Univ. of Technology, Tehran 1996715433, Iran; formerly, Postdoctoral Research Fellow, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir Univ. of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran 1591634311, Iran. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5162-6332. Email: mohammad.tehrani@kntu.ac.ir
Received: May 15, 2021
Accepted: September 30, 2022
Published online: December 21, 2022Journal of Hydraulic Engineering
Vol. 149, Issue 3 (March 2023)
© 2022 American Society of Civil Engineers
Abstract
chute 여수로에서는 난류 경계층 가장자리가 충분히 길면 자유 표면에 접근하는 시작점의 하류에서 자체 통기가 발생합니다. 시작 지점의 하류에서 공기-물 혼합물을 포함하는 층이 팽창 효과와 함께 흐름을 통해 점진적으로 확장됩니다.
유동 벌킹은 측벽 건현 설계 측면에서 필수적입니다. 또한 고체 경계 근처에 충분한 양의 공기를 도입하면 캐비테이션 손상을 방지할 수 있습니다. 현재 연구에서, 매끄러운 chute 을 따라 유동 벌킹과 함께 깊이와 자유 표면 위치에 걸쳐 자체 폭기 및 공기 농도 프로파일을 예측하기 위해 2D 수치 모델이 개발되었습니다.
개발된 모델은 혼합물 연속성, 기단 및 공기-물 혼합물 운동량 보존의 일방향 포물선 방정식의 해를 다룹니다. 이러한 방정식은 행진 기법과 Prandtl의 혼합 길이 난류 모델을 활용하여 자유 표면에 대한 동적 방정식과 함께 해결됩니다.
프로토타입 측정 및 실험실 테스트를 통해 얻은 실험 데이터를 사용하여 수치 모델의 정확도를 평가했습니다. 관련 결과는 경계층 발달의 유도된 시작점, 자체 유입 흐름 내의 공기 농도 프로파일 및 그에 따른 흐름의 벌킹 측면에서 비교되었습니다.
실용적인 목적을 위한 수치 모델의 기능은 상당히 정확한 결과에 따라 의미가 있으며 추가 연구를 위한 새로운 지평을 밝힙니다.
In chute spillways, self-aeration occurs downstream of the inception point, where the turbulent boundary layer edge approaches the free surface, if they are long enough. Downstream of the inception point, a layer containing an air–water mixture extends gradually through the flow with the bulking effect. Flow bulking is essential in terms of sidewall freeboard design. In addition, the introduction of enough air quantity near the solid boundaries prevents cavitation damage. In the present work, a 2D numerical model was developed for the prediction of self-aeration and air concentration profiles across the depth and the free-surface location, together with flow bulking along the smooth chutes. The developed model deals with the solution of the one-way direction parabolic equations of mixture continuity, air mass, and air–water mixture momentum conservation. These equations are solved accompanied by the dynamic equation for the free surface, utilizing the marching technique and Prandtl’s mixing length turbulent model. The experimental data obtained by prototype measurements and laboratory tests were used to assess the accuracy of the numerical model. The relevant results were compared in terms of the induced inception point of the boundary layer development, air concentration profiles within self-entrained flows, and the consequent bulking of the flow. The capability of the numerical model for practical purposes is signified in accordance with the fairly accurate obtained results, shedding light on new horizons for further research.