Diffusive Wave Solutions for Open Channel Flows with Uniform and Concentrated Lateral Inflow

The diffusive wave equation with inhomogeneous terms representing hydraulics with uniform or concentrated lateral inflow intoa river is theoretically investigated in the current paper. All the solutions have been systematically expressed in a unified form interms of response function or so called K-function. The integration of K-function obtained by using Laplace transform becomesS-function, which is examined in detail to improve the understanding of flood routing characters. The backwater effects usuallyresulting in the discharge reductions and water surface elevations upstream due to both the downstream boundary and lateral infloware analyzed. With a pulse discharge in upstream boundary inflow, downstream boundary outflow and lateral inflow respectively,hydrographs of a channel are routed by using the S-functions. Moreover, the comparisons of hydrographs in infinite, semi-infiniteand finite channels are pursued to exhibit the different backwater effects due to a concentrated lateral inflow for various channeltypes.

Effects of density differences on lateral mixing in open-channel flows

This study investigates lateral mixing of tracer fluids in turbulent open-channel flows when the tracer and ambient fluids have different densities. Longitudinal dispersion in flows with longitudinal density gradients is investigated also.

Lateral mixing was studied in a laboratory flume by introducing fluid tracers at the ambient flow velocity continuously and uniformly across a fraction of the flume width and over the entire depth of the ambient flow. Fluid samples were taken to obtain concentration distributions in cross-sections at various distances, x, downstream from the tracer source. The data were used to calculate variances of the lateral distributions of the depth-averaged concentration. When there was a difference in density between the tracer and the ambient fluids, lateral mixing close to the source was enhanced by density-induced secondary flows; however, far downstream where the density gradients were small, lateral mixing rates were independent of the initial density difference. A dimensional analysis of the problem and the data show that the normalized variance is a function of only three dimensionless numbers, which represent: (1) the x-coordinate, (2) the source width, and (3) the buoyancy flux from the source.

A simplified set of equations of motion for a fluid with a horizontal density gradient was integrated to give an expression for the density-induced velocity distribution. The dispersion coefficient due to this velocity distribution was also obtained. Using this dispersion coefficient in an analysis for predicting lateral mixing rates in the experiments of this investigation gave only qualitative agreement with the data. However, predicted longitudinal salinity distributions in an idealized laboratory estuary agree well with published data.

Flux difference splitting for open channel flows

A finite difference scheme based on flux difference splitting is presented for the solution of the one-dimensional shallow-water equations in open channels, together with an extension to two-dimensional flows. A linearized problem, analogous to that of Riemann for gas dynamics, is defined and a scheme, based on numerical characteristic decomposition, is presented for obtaining approximate solutions to the linearized problem. The method of upwind differencing is used for the resulting scalar problems, together with a flux limiter for obtaining a second-order scheme which avoids non-physical, spurious oscillations. The scheme is applied to a one-dimensional dam-break problem, and to a problem of flow in a river whose geometry induces a region of supercritical flow. The scheme is also applied to a two-dimensional dam-break problem. The numerical results are compared with the exact solution, or other numerical results, where available.

A numerical scheme for two-dimensional, open channel flows with non-rectangular geometries

An algorithm based on flux difference splitting is presented for the solution of two-dimensional, open channel flows. A transformation maps a non-rectangular, physical domain into a rectangular one. The governing equations are then the shallow water equations, including terms of slope and friction, in a generalized coordinate system. A regular mesh on a rectangular computational domain can then be employed. The resulting scheme has good jump capturing properties and the advantage of using boundary/body-fitted meshes. The scheme is applied to a problem of flow in a river whose geometry induces a region of supercritical flow.

Analytic Benchmark Solutions for Open-Channel Flows

An important test of the quality of a computational model is its ability to reproduce standard test cases or benchmarks. For steady open–channel flow based on the Saint Venant equations some benchmarks exist for simple geometries from the work of Bresse, Bakhmeteff and Chow but these are tabulated in the form of standard integrals. This paper provides benchmark solutions for a wider range of cases, which may have a nonprismatic cross section, nonuniform bed slope, and transitions between subcritical and supercritical flow. This makes it possible to assess the underlying quality of computational algorithms in more difficult cases, including those with hydraulic jumps. Several new test cases are given in detail and the performance of a commercial steady flow package is evaluated against two of them. The test cases may also be used as benchmarks for both steady flow models and unsteady flow models in the steady limit.

Comparisons of sidewall correction of bed shear stress in open-channel flows

When investigating sediment transport in laboratory open-channel flows, it is often necessary to remove sidewall effects for computing effective bed shear stress. Previous sidewall correction methods are subject to some assumptions that have not been completely verified, and different values of the bed shear stress may be obtained depending on the approach used in making sidewall corrections. This study provides a quantitative assessment of the existing correction procedures by comparing them to a new sidewall correction model proposed in this study. The latter was derived based on the shear stress function and equivalent roughness size for both rigid and mobile bed conditions, which were obtained directly from experimental measurements. The comparisons show that the Einstein correction formula and the Vanoni and Brooks method generally predict relatively lower and higher bed shear stresses, respectively, while the Williams’ empirical function leads to more scatter. This study also demonstrates that the widely used Vanoni and Brooks approach can be well approximated by a simple formula derived based on the Blasius resistance function. The sidewall effects, when removed in the different ways, would consequently affect the presentation of the bedload function. Experimental results of bedload transport, when plotted as the dimensionless transport rate against the dimensionless shear stress with the latter being corrected using the present model, exhibit less scatter than those associated with the previous procedures.

Experimental setup for measuring roll waves on laminar open channel flows

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effect of Aspect Ratio on the Three-Dimensional Global Instability Analysis of Incompressible Open Cavity Flows

The stability analysis of open cavity flows is a problem of great interest in the aeronautical industry. This type of flow can appear, for example, in landing gears or auxiliary power unit configurations. Open cavity flows is very sensitive to any change in the configuration, either physical (incoming boundary layer, Reynolds or Mach numbers) or geometrical (length to depth and length to width ratio). In this work, we have focused on the effect of geometry and of the Reynolds number on the stability properties of a threedimensional spanwise periodic cavity flow in the incompressible limit. To that end, BiGlobal analysis is used to investigate the instabilities in this configuration. The basic flow is obtained by the numerical integration of the Navier-Stokes equations with laminar boundary layers imposed upstream. The 3D perturbation, assumed to be periodic in the spanwise direction, is obtained as the solution of the global eigenvalue problem. A parametric study has been performed, analyzing the stability of the flow under variation of the Reynolds number, the L/D ratio of the cavity, and the spanwise wavenumber β. For consistency, multidomain high order numerical schemes have been used in all the computations, either basic flow or eigenvalue problems. The results allow to define the neutral curves in the range of L/D = 1 to L/D = 3. A scaling relating the frequency of the eigenmodes and the length to depth ratio is provided, based on the analysis results.

Instability Analysis of Incompressible Open Cavity Flows

El problema del flujo sobre una cavidad abierta ha sido estudiado en profundidad en la literatura, tanto por el interés académico del problema como por sus aplicaciones prácticas en gran variedad de problemas ingenieriles, como puede ser el alojamiento del tren de aterrizaje de aeronaves, o el depósito de agua de aviones contraincendios. Desde hace muchos a˜nos se estudian los distintos tipos de inestabilidades asociadas a este problema: los modos bidimensionales en la capa de cortadura, y los modos tridimensionales en el torbellino de recirculación principal dentro de la cavidad. En esta tesis se presenta un estudio paramétrico completo del límite incompresible del problema, empleando la herramienta de estabilidad lineal conocida como BiGlobal. Esta aproximación permite contemplar la estabilidad global del flujo, y obtener tanto la forma como las características de los modos propios del problema físico, sean estables o inestables. El estudio realizado permite caracterizar con gran detalle todos los modos relevantes, así como la envolvente de estabilidad en el espacio paramétrico del problema incompresible (Mach nulo, variación de Reynolds, espesor de capa límite incidente, relación altura/profundidad de la cavidad, y longitud característica de la perturbación en la dirección transversal). A la luz de los resultados obtenidos se proponen una serie de relaciones entre los parámetros y características de los modos principales, como por ejemplo entre el Reynolds crítico de un modo, y la longitud característica del mismo. Los resultados numéricos se contrastan con una campaña experimental, siendo la principal conclusión de dicha comparación que los modos lineales están presentes en el flujo real saturado, pero que existen diferencias notables en frecuencia entre las predicciones teóricas y los experimentos. Para intentar determinar la naturaleza de dichas diferencias se realiza una simulación numérica directa tridimensional, y se utiliza un algoritmo de DMD (descomposición dinámica de modos) para describir el proceso de saturación. ABSTRACT The problem of the flow over an open cavity has been studied in depth in the literature, both for being an interesting academical problem and due to the multitude of industrial applications, like the landing gear of aircraft, or the water deposit of firefighter airplanes. The different types of instabilities appearing in this flow studied in the literature are two: the two-dimensional shear layer modes, and the three-dimensional modes that appear in the main recirculating vortex inside the cavity. In this thesis a parametric study in the incompressible limit of the problem is presented, using the linear stability analysis known as BiGlobal. This approximation allows to obtain the global stability behaviour of the flow, and to capture both the morphological features and the characteristics of the eigenmodes of the physical problem, whether they are stable or unstable. The study presented here characterizes with great detail all the relevant eigenmodes, as well as the hypersurface of instability on the parameter space of the incompressible problem (Mach equal to zero, and variation of the Reynolds number, the incoming boundary layer thickness, the length to depth aspect ratio of the cavity and the spanwise length of the perturbation). The results allow to construct parametric relations between the characteristics of the leading eigenmodes and the parameters of the problem, like for example the one existing between the critical Reynolds number and its characteristic length. The numerical results presented here are compared with those of an experimental campaign, with the main conclusion of said comparison being that the linear eigenmode are present in the real saturated flow, albeit with some significant differences in the frequencies of the experiments and those predicted by the theory. To try to determine the nature of those differences a three-dimensional direct numerical simulation, analyzed with Dynamic Mode Decomposition algorithm, was used to describe the process of saturation.

Fractal structures in nonlinear plasma physics

Fractal structures appear in many situations related to the dynamics of conservative as well as dissipative dynamical systems, being a manifestation of chaotic behaviour. In open area-preserving discrete dynamical systems we can find fractal structures in the form of fractal boundaries, associated to escape basins, and even possessing the more general property of Wada. Such systems appear in certain applications in plasma physics, like the magnetic field line behaviour in tokamaks with ergodic limiters. The main purpose of this paper is to show how such fractal structures have observable consequences in terms of the transport properties in the plasma edge of tokamaks, some of which have been experimentally verified. We emphasize the role of the fractal structures in the understanding of mesoscale phenomena in plasmas, such as electromagnetic turbulence.

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.