An unstructured finite volume model for unsteady turbulent shallow water flow with wet-dry fronts: numerical solver and experimental validation

Abstract

[Resumen] El principal objetivo de esta tesis es aplicar las ecuaciones de aguas someras bidimensionales a diferentes flujos en lámina libre, centrándose especialmente en aquellos problemas en los que o bien el tratamiento de la turbulencia o bien el tratamiento del frente seco-mojado son de especial relevancia. Para ello se ha desarrollado un código de volúmenes finitos que resuelve las ecuaciones de aguas someras acopladas con diferentes modelos de turbulencia. El código incluye un modelo parabólico de viscosidad turbulenta, un modelo algebraico de longitud de mezcla y 3 versiones del modelo k-ε para aguas someras. Al mismo tiempo se ha propuesto e incluido un modelo de tensiones algebraicas para aguas someras. El código desarrollado se ha utilizado para simular el flujo en 4 aplicaciones prácticas diferentes que incluyen el oleaje de onda larga, el flujo inducido por la marea en un estuario, el flujo en canal con un codo de 90º, y el flujo en escalas de peces de hendidura vertical. En todos los casos los resultados numéricos se han comparado con datos experimentales.

[Resumo] O principal obxetivo de esta tese é aplicar as ecuacións de augas someras bidimensionais a diferentes fluxos en lámina libre, centrándose especialmente naqueles problemas nos que ou ben o tratamento da turbulencia ou ben o tratamento do frente seco-mollado son de especial relevancia. Desenvolveuse un código en volúmenes finitos que resolve as ecuacións de augas someras acopladas a diferentes modelos de turbulencia. O código inclúe un modelo parabólico de viscosidade turbulenta, un modelo alxebraico de lonxitude de mezcla e tres versións do modelo k-ε para augas someras. Ó mesmo tempo, proponse un modelo de tensións alxebraicas para augas someras. O código realizado utilizouse en 4 aplicacións prácticas diferentes que inclúen a oleaxe de onda larga, o fluxo de marea nun estuario, o fluxo en canal cun codo de 90º, e o fluxo en escalas de peixes de fendidura vertical. En todolos casos os resultados numéricos compáranse con datos experimentais.

[Abstract]The main goal of this thesis is to apply the depth averaged shallow water equations to several free surface flows in which the turbulence modelling and the treatment of wet-dry fronts are of special interest. In this context, four different flows have been studied: the generation, propagation and reflection of shallow waves in a 1D flume, the tidal flow in a coastal estuary, the flow in an open channel with a 90º bend, and the flow in vertical slot fishways. The aim of this work is to investigate, for the considered applications, which flow features can be resolved by a depth averaged model and which features are beyond the capabilities of the equations. In order to do so, a finite volume solver for the 2D-SWE, coupled with several depth averaged RANS turbulence models, has been developed. A depth averaged mixing length model and a k-ε model for shallow waters have been included in the code, and a depth averaged algebraic stress model has been proposed. At the same time experimental data has been used to analyse the characteristics of the flow as well as to compare with the numerical results.