Properties of Hydraulic Jump over Apparent Corrugated Beds

The characteristics of hydraulic jumps were investigated for three shapes of artificial apparent corrugated beds in a horizontal rectangular flume. Rectangular, triangular, and circular-shaped tire waste corrugated beds were used. Froude number ranged from 2.75 to 4.25. The experimental observations included water surface profiles, bed shear stress, and the hydraulic jump length. Results showed that the shape of the corrugation had relatively insignificant effects on hydraulic jump properties for small Froude numbers. The rectangular, triangular, and circular-shaped corrugated beds reduced the hydraulic jump length by up to 7, 10, and 11%, respectively. The corrugated bed also reduced the tailwater depth by up to 11.5% compared with the smooth bed. The apparent conditions of corrugated bed reduced the hydraulic jump relative length and height by about 0.4 and 0.5, respectively. The circular-shaped tire waste was found to be more effective in reducing the length and depth of the hydraulic jump.

High-order upwinding and the hydraulic jump

This work is concerned with the computation of incompressible axisymmetric and fall three-dimensional free-surface flows. In particular, the circular-hydraulic jump is simulated and compared with approximate analytic solutions. However, the principal thrust of this paper is to provide a real problem as a test bed for comparing the many existing convective approximations. Their performance is compared; SMART, HLPA and VONOS emerge as acceptable upwinding methods for this problem. Copyright (C) 2002 John Wiley Sons, Ltd.

The hydraulic jump; a bibliography, 1819-1953.

Cover title.

Theory of the hydraulic jump and backwater curves /

Mode of access: Internet.

Submerged and unsubmerged natural hydraulic jumps in a bedrock step-pool mountain channel (Fig. 1 Classical hydraulic jump with partially developed inflow conditions)

Fig. 1. Classical hydraulic jump with partially developed inflow conditions. F1 = 13.6, V1 = 4.7 m/s, B = 0.25 m, h = 0.020 mm, d1 = 0.012 mm, Q = 14 L/s. Photo courtesy of Dr. Hubert Chanson. published in: Geomorphology Volume 82, Issues 1-2, 6 December 2006, Pages 146-159 The Hydrology and Geomorphology of Bedrock Rivers doi:10.1016/j.geomorph.2005.09.024 Submerged and unsubmerged natural hydraulic jumps in a bedrock step-pool mountain channel Brett L. Vallé and Gregory B. Pasternacka

Spatial B-jump at sudden channel enlargements with abrupt drop

An analytical and experimental study of the hydraulic jump in stilling basins with abrupt drop and sudden enlargement, called the spatial B-jump here, is carried out for finding the sequent depth ratio and resulting energy dissipation. The spatial B-jump studied has its toe downstream of the expansion section, and the stream lines at the toe are characterized by downward curvature. An expression is obtained for the sequent depth ratio based on the momentum equation with suitable assumptions for the extra pressure force term because of the abrupt drop in the bed and sudden enlargement in the basin width. Predictions compare favorably with experiments. It is shown that the spatial B-jump needs less tailwater depth, thereby enhancing the stability of the jump when compared either with spatial jump, which forms in sudden expanding channels, or with B-jump, which forms in a channel with an abrupt drop in bed. It is also shown that there is a significant increase in relative energy loss for the spatial B-jump compared to either the spatial jump or B-jump alone.

Numerical study of laminar, standing hydraulic jumps in a planar geometry

We solve the two-dimensional, planar Navier-Stokes equations to simulate a laminar, standing hydraulic jump using a Volume-of-Fluid method. The geometry downstream of the jump has been designed to be similar to experimental conditions by including a pit at the edge of the platform over which liquid film flows. We obtain jumps with and without separation. Increasing the inlet Froude number pushes the jump downstream and makes the slope of the jump weaker, consistent with experimental observations of circular jumps, and decreasing the Reynolds number brings the jump upstream while making it steeper. We study the effect of the length of the domain and that of a downstream obstacle on the structure and location of the jump. The transient flow which leads to a final steady jump is described for the first time to our knowledge. In the moderate Reynolds number regime, we obtain steady undular jumps with a separated bubble underneath the first few undulations. Interestingly, surface tension leads to shortening of wavelength of these undulations. We show that the undulations can be explained using the inviscid theory of Benjamin and Lighthill (Proc. R. Soc. London, Ser. A, 1954). We hope this new finding will motivate experimental verification.

Cellular-block-lined grade control structure : hydraulic model investigation /

"August 1973."

Levitation of a drop over a film flow

A vertical jet of water impinging on a horizontal surface produces a radial film flow followed by a circular hydraulic jump. We report a phenomenon where fairly large (1 mi) drops of liquid levitate just upstream of the jump on a thin air layer between the drop and the film flow. We explain the phenomenon using lubrication theory. Bearing action both in the air film and the water film seems to be necessary to support large drops. Horizontal support is given to the drop by the hydraulic jump. A variety of drop shapes is observed depending on the volume of the drop and liquid properties. We show that interaction of the forces due to gravity, surface tension, viscosity and inertia produces these various shapes.

Air flow over a mountain and the convective boundary-layer

In this paper, the analytical model coupling the convective boundary layer (CBL) with the free atmosphere developed by Qi and Fu (1992) is improved. And by this improved model, the interaction between airflow over a mountain and the CBL is further discussed. The conclusions demonstrate: (1) The perturbation potential temperatures in the free atmosphere can counteract the effect of orographic thermal forcing through entraining and mixing in the CBL. If u(M)BAR > u(F)BAR, the feedback of the perturbation potential temperatures in the free atmosphere is more important than orographic thermal forcing, which promotes the effect of interfacial waves. If u(M)BAR < u(F)BAR, orographic thermal forcing is more important, which makes the interfacial height and the topographic height identical in phase, and the horizontal speeds are a maximum at the top of the mountain. (2) The internal gravity waves propagating vertically in the free atmosphere cause a strong downslope wind to become established above the lee slope in the CBL and result in the hydraulic jump at the top of the CBL. (3) With the CBL deepening, the interfacial gravity waves induced by the potential temperature jump at the top of the CBL cause the airflow in the CBL to be subcritical.

Mathematical models for the prediction of temperature distributions resulting from the discharge of heated water into large bodies of water

Mathematical models for heated water outfalls were developed for three flow regions. Near the source, the subsurface discharge into a stratified ambient water issuing from a row of buoyant jets was solved with the jet interference included in the analysis. The analysis of the flow zone close to and at intermediate distances from a surface buoyant jet was developed for the two-dimensional and axisymmetric cases. Far away from the source, a passive dispersion model was solved for a two dimensional situation taking into consideration the effects of shear current and vertical changes in diffusivity. A significant result from the surface buoyant jet analysis is the ability to predict the onset and location of an internal hydraulic jump. Prediction can be made simply from the knowledge of the source Froude number and a dimensionless surface exchange coefficient. Parametric computer programs of the above models are also developed as a part of this study. This report was submitted in fulfillment of Contract No. 14-12-570 under the sponsorship of the Federal Water Quality Administration.

Run off Conditions on Rimming Power Law Fluids

The rimming ?ow of a power-law ?uid in the inner surface of a horizontal rotating cylinder is investigated. Exploiting the fact that the liquid layer is thin, the simplest lubrication theory is applied. The generalized run-off condition for the steady-state ?ow of the power-law liquid is derived. In the bounds implied by this condition, ?lm thickness admits a continuous solution. In the supercritical case when the mass of non-Newtonian liquid exceeds a certain value or the speed of rotation is less than an indicated limit, a discontinuous solution is possible and a hydraulic jump may occur in the steady-state regime. The location and height of the hydraulic jump for the power-law liquid is determined.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Evaluation of a bounded high order upwind scheme for 3D incompressible free surface flow computations

fit the context of normalized variable formulation (NVF) of Leonard and total variation diminishing (TVD) constraints of Harten. this paper presents an extension of it previous work by the authors for solving unsteady incompressible flow problems. The main contributions of the paper are threefold. First, it presents the results of the development and implementation of a bounded high order upwind adaptative QUICKEST scheme in the 3D robust code (Freeflow), for the numerical solution of the full incompressible Navier-Stokes equations. Second, it reports numerical simulation results for 1D hock tube problem, 2D impinging jet and 2D/3D broken clam flows. Furthermore, these results are compared with existing analytical and experimental data. And third, it presents the application of the numerical method for solving 3D free surface flow problems. (C) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved,