Analysis of the flow field around bridge piers in supercritical flows through numerical simulations.

Abstract

The supercritical open channel flows around cylindrical obstacles are observed in several relevant situations such as in steep mountain streams. These flows are investigated through advanced numerical simulations performed with the model OpenFoam to solve the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations with the SST turbulence closure model. The free surface was modelled with the Volume-of-Fluid method (VOF). The numerical results are verified through a detailed comparison with existing laboratory measurements of two supercritical flow patterns around obstacles, namely the detached hydraulic jump and the wall-jet-like bow wave. Flow features observed in both patterns, such as the detached jump, bow wave, wall jet, reverse spillage, and lateral jet were simulated. In both flow patterns a quasi-periodic oscillation of the bow wave was observed, with a rapid formation, extension and destruction of a tongue developing upstream of the obstacle that produced a reverse spillage. The average frequency at which the oscillation occurred was 2.57 and 8.30 Hz for the detached hydraulic jump and wall jet like bow wave flow patterns, respectively. Similarly, to the case of obstacles in subcritical flows, in both supercritical flow patterns, the horseshoe vortex is composed of four vortices: an anti-clockwise rotating corner vortex, located at the upstream face of the obstacle close to the bottom, the clockwise rotating main vortex, a clockwise rotating secondary vortex located upstream, and the anti-clockwise rotating secondary bottom vortex. Obtained results confirm the applicability of RANS with the VOF method for simulation of the complex supercritical flow patterns around cylindrical obstacles.

Los escurrimientos supercríticos en canales abiertos alrededor de obstáculos cilíndricos se observan en varias situaciones relevantes, como en ríos de montaña con pendiente fuerte. Estos flujos se investigan a través de simulaciones numéricas avanzadas realizadas con el software OpenFoam para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS) utilizando el modelo de cierre de turbulencia SST. La superficie libre se modeló con el método del volumen of fluid (VOF). Los resultados numéricos se verifican mediante una comparación detallada con mediciones de laboratorio existentes de dos patrones de flujo supercrítico alrededor de obstáculos, denominados detached hydraulic jump y wall-jet-like bow wave. Se simularon todas las características del flujo observadas en ambos patrones, como el detached jump, bow wave, wall-jet, reverse spillage y lateral jet. En ambos patrones de flujo se observó una oscilación cuasi periódica del bow wave, con una rápida formación, extensión y destrucción de una lengua desarrollándose aguas arriba del obstáculo que produjo el reverse spillage. La frecuencia promedio a la que se produjo la oscilación fue de 2,57 y 8,30 Hz para los patrones de flujo detached hydraulic jump y wall jet like bow wave, respectivamente. De manera similar a los casos de obstáculos en escurrimiento subcríticos, para ambos patrones de escurrimiento supercrítico, el vórtice de herradura se compone de 4 vórtices: un vórtice de esquina que gira en sentido antihorario, ubicado en la cara aguas arriba del obstáculo cerca del fondo, un vórtice principal que gira en sentido horario, ubicado en la cara aguas arriba del obstáculo cerca del fondo, un vórtice secundario que gira en el sentido horario, ubicado aguas arriba y un vórtice inferior secundario que gira en sentido antihorario. Los resultados obtenidos confirman la aplicabilidad de las ecuaciones RANS con el método VOF para la simulación del flujo supercrítico alrededor de obstáculos cilíndricos.