Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

De numerieke modellering van turbulente stroming over ruwe wanden is een van de belangrijkste problemen in numerieke vloeistofdynamica (CFD = computational fluid dynamics). De aanwezigheid van ruwheid voegt meer moeilijkheden en onzekerheden toe. Ruwe oppervlakken zijn aanwezig in bijna alle gevallen van waterstroming in de natuur zoals rivieren, kanalen en kustwateren. Ruwheid moet dus worden gekarakteriseerd om er mee rekening te kunnen houden in modellen, terwijl men gelijkertijd tracht te vermijden om dure rekentechnieken te moeten gebruiken. Het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek is dus de karakterisatie van ruwheid in open-kanaalstroming en het voorstellen van nieuwe manieren om de stroming van helder en sediment-beladen water over ruwe wanden te simuleren met een minimale rekeninspanning. De karakterisering van ruwheid vereist complementair geschikte turbulentiemodellen die de stromingsprocessen dicht bij de bodem in rekening nemen, zoals laag-Reynoldsmodellen. Dit gebeurt door te beschouwen dat turbulentie aanwezig is in de meeste stromingsprocessen, in het bijzonder dicht nabij onregelmatige oppervlakken. Van de in de literatuur voorgestelde modellen werden twee-lagenturbulentiemodellen als de meest geschikte weerhouden om de noodzaak aan roosterverfijning nabij de wand te minimaliseren. Ze combineren twee benaderingen: de standaard transportvergelijkingen voor gemiddelde turbulentiegrootheden ver genoeg van de wand en het gebruik van algebraische of semi-empirische benaderingen nabij de wand. Vervolgens werden deze twee-lagenmodellen bestudeerd en toegepast voor stroming over ruwe bodems, zodat de voordelen en beperkingen ervan konden worden bepaald. De belangrijkste observatie in de studie van de weinige modellen die men in de literatuur vindt, is hun beperkte succes in de simulatie van stroming over ruwe wanden. Daarom werd een nieuw twee-lagenmodel ontwikkeld en getest. Dit model biedt een oplossing voor de beperkingen van de bestaande modellen en is toepasbaar zowel voor helder als voor sediment-beladen water. Voor dit doel werden zogenaamde "Large Eddy" Simulatie (LES)-data gegenereerd door de vakgroep Vloeistofmechanica van de Vrije Universiteit Brussel voor stroming over een golvend oppervlak. Het nieuw voorgestelde model werd gekalibreerd aan de hand van deze LES data en slaagt erin het assymptotisch gedrag van de turbulente grootheden nabij de wand en hun variatie ten gevolge van ruwheden te reproduceren. Het voorgestelde model is getest door toepassing op gesimuleerde data bekomen met Directe Numerieke Simulatie (DNS) en experimenten in laboratoriumkanalen van stroming over ruwe bodems van helder water. De aanwezigheid van gesuspendeerd sediment voegt extra complixiteiten toe die in de modellen moeten beschouwd worden. Daarom werd het voorgestelde model toegepast op een experimentele testcase van sediment-beladen kanaalstroming om te pogen de waargenomen data te simuleren. In dit soort stroming is het noodzakelijk de aanwezigheid van sediment nabij de bodem in rekening te brengen, omdat ze de bodemruwheid wijzigt, zodat de bodemwrijving (in het geval van zand) toeneemt. De bijdragen, voorgesteld in het huidige onderzoek, leiden tot suggesties voor verder onderzoek naar de effecten van sediment en ruwe bodems op turbulente stroming, inclusief het geval van mobiel bodemtransport en andere meer complexe omstandigheden. The numerical modeling of turbulent flows over rough walls is one of the most important issues in computational fluid dynamics (CFD). The presence of roughness adds more difficulties and uncertainties. Roughness is present in most of the cases in nature like rivers, channels and coastal waters; therefore, it has to be characterized to be accounted for in modelling works, avoiding the use of more expensive techniques with respect to the computational point of view. Thus, the main scope of the present doctoral research is the characterization of the roughness in open-channel flows and the proposal of new approaches to simulate flow over rough walls avoiding the use of computationally expensive methods to be applied under clear and sediment-laden flow. Therefore, the characterization of the roughness should be complemented by the use of proper turbulence models which take into account the flow processes near to bottom surfaces e.g. low-Reynolds turbulence models. This is done considering that turbulence is present in most of the flow processes, especially over irregular surfaces. Thus, the most proper turbulence models found in literature are two-layer turbulence models, which are a combination of two approaches, the standard transport equations for the turbulent quantities far from the wall, and the use of algebraic or empirical approaches close to the wall, in order to reduce the demand of finer numerical grids close to irregular surfaces. Following, two-layer turbulence models are assessed and applied to flow over rough bottoms in order to determine their advantages and limitations of their performance. The main limitation of current two-layer turbulence models proposed in literature is the proper simulation of turbulent quantities close to the bottom with the presence of protrusions or roughness. Therefore, a new two-layer turbulence model for flow over rough bottoms is developed and proposed. This model will overcome the limitations of current two-layer models and can be applied in clear water and sediment-laden flows. For this purpose LES (Large Eddy Simulation) data generated from simulations of flow over wavy walls developed at the Vrije Universiteit Brussel are applied for the development of the new model. Then, the proposed model is calibrated with the LES (Large Eddy Simulation) data reproducing the asymptotic behavior of turbulent quantities near the wall and its variation due to roughness. The proposed model is tested and applied to DNS (Direct Numerical Simulation) and experimental cases of open-channel flow over rough bottoms under clear water conditions. Finally, the presence of sediments in suspension will add more complexities that should need to be considered in modeling works. Therefore, the proposed model is applied to an experimental case of sediment-laden flow to simulate the observed data. In this type of flow cases, it is necessary to take into account that the presence of sediment particles at the bottom surface will (in the case of sand) increase the roughness and the sediments in suspension will increase the resistance to flow. In conclusion, the contributions proposed in the present research lead to suggestions for further research work on the effects of sediments and rough walls on turbulent open-channel flow, even considering the presence of mobile beds, and more complex conditions.