Combination of experimental and numerical approaches to determine the main characteristics of skimming flow in stepped spillways

Abstract

The traditional approach for the hydrodynamic characterization of the flow down stepped spillways is through physical modeling, which is susceptible to scale effects and has limitations related to experimental apparatus, laboratory space and the spatial discretization of data collection. Computational fluid dynamics (CFD) is an important tool for hydrodynamic analysis because, if used properly, it presents great potential for application in hydraulics. In this work, CFD was used to model the skimming flow down a stepped spillway to investigate the effects of possible pressure measurement errors due to uncertainties in the position of the sensors within the steps. The numerical model was validated through literature velocity profiles and pressure experimental data. The results showed that the best values of water fraction (α) to define free surface are α = 0.30 in the nonaerated region and α = 0.10 in the aerated region. Statistical parameters were calculated using experimental data to estimate extreme pressures. These parameters and the simulation results were used to determine that the extreme maximum and minimum pressures occur, respectively, in the region of 0.81 < x/l < 0.98, in the horizontal faces, and in the region of 0.93 < y/h < 0.98, in the vertical faces.

A abordagem tradicional para a caracterização hidrodinâmica do escoamento sobre vertedouros em degraus é feita através da modelagem física, a qual é suscetível aos efeitos de escala e possui limitações relacionadas ao aparato experimental, espaço físico de laboratório e discretização espacial da obtenção de dados. A fluidodinâmica computacional é uma importante ferramenta de análise dos escoamentos, pois, se utilizada corretamente, apresenta grande potencial de aplicação na engenharia hidráulica. Neste trabalho, foi utilizada fluidodinâmica computacional para modelar o escoamento deslizante sobre turbilhões em um vertedouro em degraus. Buscou-se investigar os efeitos de possíveis erros de medição de pressão devido às incertezas na posição dos medidores dentro dos degraus. O modelo numérico foi validado através de dados de pressão obtidos experimentalmente e dados de velocidade encontrados na literatura. Os resultados mostram que os melhores valores de fração de água (α ) que definem a superfície livre são α = 0,30 para a região não aerada e α = 0,10 para a região aerada. Utilizando-se dados experimentais, foram calculados parâmetros estatísticos para estimar pressões extremas. O uso destes parâmetros, em conjunto com os resultados das simulações, permite definir que as pressões extremas positivas ocorrem na região 0,81 < x/l < 0,98 nos patamares e as mínimas na região 0,93 < y/h < 0,98 nos espelhos.