Development and Validation of Turbulence Closures for Three-Dimensional Reynolds-Averaged and Partially-Averaged Navier-Sotkes Application to Open-Channel Flow in Bends and Meanders

Abstract

[Resumo] Desenvolvemento e validación de modelos de turbulencia para Reynolds-Averaged e Partially-Averaged Navier-Stokes en tres dimensións. Aplicación a fluxo en canais abertos curvos e meandriformes Entender e ser quen de predicir o comportamento do fluxo en canles abertos curvos e meandriformes é un elemento crucial para a enxeñería fluvial. O presente documento analiza este tipo de casos mediante a utilización de modelos computacionais tridimensionais e non hidrostáticos baseados nas ecuacións de conservación da masa e o momentum de Navier-Stokes. Dado que a turbulencia é omnipresente en fluxos ambientais e que a sua influencia é extremadamente relevante, este traballo analiza o efecto dunha variedade de modelos de peche para o termo que encapsula a aportación das fluctuacións turbulentas en tres escenarios: un canal curvo de 270°, un canal meandriforme consistente nunha sucesión de dúas curvas contrapostas e un meandro infinito. A análise céntrase específicamente na descripción do fluxo secundario, os mecanismos de xeración e regulación das estruturas coherentes e a súa influencia na distribución das tensións tanxenciais. Os modelos empregados nesta investigación pódense encadrar dentro de tres familias fundamentais que se diferenzan no xeito en que resolven ou aproximan as tensións turbulentas: URANS, PANS e LES. As prediccións obtidas nestas simulacións foron comparadas e validadas numérica e experimentalmente. A influenza nos resultados de parámetros numéricos como a condición de contorno de entrada e a discretización do termo convectivo da ecuación de momentum recibiu particular atención. Os resultados mostran que determinadas configuracións de PANS predín particularmente ben os fluxos primario e secundario e a estrutura da turbulencia con respecto aos datos experimentais e os resultados obtidos con LES. URANS combinado co modelo de turbulencia k-ε produce simulacións robustas e fiábeis para os escenarios considerados, pero manifesta deficiencias na predicción dalgúns mecanismos do fluxo secundario e a cuantificación da enerxía cinética turbulenta debido ao exceso de disipación. Implementáronse modelos non lineais baseados no concepto de viscosidade turbulenta en cobinación con URANS; os resultados foron irregulares e, en xeral, non melloraron a capacidade predictiva de k-ε. Os resultados sinalan que o desenvolvemento da turbulencia e a ‘memoria’ previa do fluxo tras percorrer sucesivas curvas alternas en canais meandriformes son cruciais para definir a estrutura e magnitude do fluxo secundario. Esta investigación amosa como estruturas coherentes formadas en curvas consecutivas interaccionan entre si e son recicladas entre un meandro e o seguinte, o cal ten importantes repercusións para o transporte de sedimentos e contaminantes en fluxos ambientais. As fluctuacións turbulentas identificadas nos canais en curva son intensamente anisotrópicas e non poden ser descritas con rigor e exclusivamente por modelos baseados en hipóteses de turbulencia isotrópica. Este traballo servirá como base a novas liñas de investigación para o desenvolvemento de modelos dinámicos inspirados en PANS que produzan ferramentas predictivas tridimensionais rápidas, fiables e precisas para enxeñería fluvial.

[Resumen] Desarrollo y validación de modelos de turbulencia para Reynolds-Averaged y Partially-Averaged Navier-Stokes en tres dimensiones. Aplicación a flujo en canales abiertos curvos y meandriformes Entender y ser capaz de predecir el comportamiento del flujo en canales abiertos curvos y meandriformes es un elemento crucial en ingeniería fluvial. El presente documento analiza este tipo de casos mediante la aplicación de modelos computacionales tridimensionales y no hidrostáticos basados en las ecuaciones de conservación de masa y momentum de Navier-Stokes. Dado que la turbulencia es omnipresente en flujos ambientales y que su influencia es extremadamente relevante, se analizó el efecto producido por diferentes modelos de cierre para el término turbulento en tres escenarios: un canal curvo de 270°, un canal meandriforme consistente en una sucesión de dos curvas alternas y un meandro infinito. El análisis se centra específicamente en la descripción del flujo secundario, los mecanismos de generación y la evolución de las estructuras coherentes y la interdependencia de lo anterior con las tensiones tangenciales. Los modelos empleados en este trabajo se pueden encuadrar en tres familias principales atendiendo al modo en que resuelven o aproximan las tensiones turbulentas: URANS, PANS y LES. Las predicciones obtenidas en dichas en estas simulaciones han sido comparadas y validadas numérica y experimentalmente. La influencia de parámetros como la condición de contorno de entrada del flujo y la discretización del término convectivo de la ecuación de momentum recibió particular atención. Los resultados revelan que determinadas configuraciones de PANS predicen con acierto los flujos primario y secundario, así como la estructura de la turbulencia, con respecto a los datos experimentales y simulaciones hechas con LES. URANS combinado con el modelo de turbulencia k-ε produce simulaciones robustas y fiables para los escenarios considerados, en especial del flujo primario, pero manifiesta deficiencias en la predicción de algunos mecanismos del flujo secundario y la cuantificación de la energía cinética turbulenta debido al exceso de disipación. Se han aplicado modelos no-lineales para la predicción de la viscosidad turbulenta en combinación con URANS; los resultados son irregulares y, en general, no mejoraron la capacidad predictiva de k-ε. Los resultados señalan que el desarrollo de la turbulencia y la ‘memoria’ previa del flujo tras recorrer sucesivas curvas alternas en canales meandriformes son clave para definir la estructura y magnitud del flujo secundario. Esta investigación muestra como estructuras coherentes formadas en curvas consecutivas interactúan entre sí y son recicladas entre un meandro y el siguiente, lo cual tiene importantes repercusiones para el transporte de sedimentos y contaminantes en flujos ambientales. Las fluctuaciones turbulentas identificadas en los canales en curva son intensamente anisotrópicas y no pueden ser descritas con rigor exclusivamente por modelos basados en hipótesis de turbulencia isotrópica. Este trabajo servirá de base a nuevas líneas de investigación sobre el desarrollo de modelos dinámicos inspirados en PANS capaces de producir herramientas predictivas en tres dimensiones rápidas, fiables y precisas para la ingeniería fluvial.

[Abstract] Development and validation of turbulence closures for three-dimensional Reynolds-Averaged and Partially-Averaged Navier-Stokes. Application to open-channel flow in bends and meanders Understanding and being able to predict curved and meandering flow behaviour is key to river engineering. This work analyses this kind of flows using three-dimensional, non-hydrostatic computational models. Given the ubiquitous presence of turbulence in environmental flows and its crucial importance, different turbulence closures are applied to three curved and meandering open-channel flow scenarios: a single 270° bend, a two-bends meandering channel and an infinite meander. The analysis particularly focuses on the structure of the secondary flow, the mechanisms of generation and modulation of coherent structures, and their influence on the shear stresses. The modelling approaches utilised during this research fall within three fundamental families, URANS, PANS and LES. The fundamental difference among them is their approach to solve or model the turbulence stresses. The predictions provided by these models were tested, compared and validated. The influence of several modelling parameters – besides the turbulence closure itself - on their performance is also analysed, with a special emphasis on the discretisation scheme for the convective term and the inflow conditions. The results show that some configurations of PANS remarkably match the available experimental and LES datasets regarding the prediction of primary and secondary flow and turbulence structure. URANS combined with a k-ε turbulence closure provides a very robust and consistent forecasting of the scenarios under investigation, particularly the primary flow, while lacking on the prediction of some of the mechanisms driving the secondary motion and the turbulence structure. Non-linear eddy viscosity models were tested with irregular results, and overall failing to improve k-ε performance. Turbulence development and the memory of prior bends in meandering channels seem to be key to the secondary flow structure. It was found that coherent structures of consecutive bends interact with each other, which has important repercussions to sediment and pollution transport in environmental flows. It was also found that the turbulent fluctuations within the bends are strongly anisotropic and cannot be well described by models reliant on isotropic assumptions. Future lines of work based on this research could provide dynamic PANS models and new turbulence closures that will generate quick, reliable, and accurate three-dimensional tools for river engineering modelling.