Επίδραση της βλάστησης στην τυρβώδη ροή σε ανοιχτό αγωγό

Abstract

This thesis studies the effect of vegetation on flow and turbulence characteristics in open channel flows. Specific cases were also studied such as cases with presence of a vegetation patch and three dimensional, fully developed cases where the channel width is partially vegetated. For such cases a detailed analysis of the effect of various vegetation characteristics, such as the submergence ratio, the plant density and the vegetation arrangement is demonstrated and finally the effect of vegetation to the discharge capacity of the channels is investigated. Based on this research an evaluation of turbulence models, of the k-ε and RSM type, is carried out and several modifications are proposed in order to increase their validity. The main criteria for the evaluation of the models is the capability for the computation of velocity distribution and turbulence characteristics (turbulent kinetic energy, dissipation of turbulence and Reynolds stresses) distributions in the vegetation region, the interface and the free flow region. For the numerical simulations the CFD code FLUENT has been used, which is based on the Finite Volume method. The solution of such flows demands the application of both spatial and time averaging and this procedure is called double averaging method. For open channel flows with vegetation, the time-spatial average methodology is used and for the additional terms, in the momentum equations and the transport equations of the turbulence models, is required modelling for the “closure” of the equations. The numerical simulations are based on laboratory experiments which have been performed by various researchers. In particular, experimental measurements from Dunn et al. (1996), Poggi et al. (2004) and Huthoff and Augustijn (2006) have been used for the evaluation of turbulence models. For the study of the vegetation patch experimental data from the work of Bouma et al. (2007) have been used, while in order to study the effect of vegetation partially distributed in the channel, results from White and Nepf (2007) have been applied. The evaluation of the validity Boussinesq hypothesis demonstrated that, at the interface region between vegetation and free flow, the additional terms resulting from the double-averaging are important and for that reason modeling is required. The comparison of the computed results with available experimental data and semi-empirical relationships is satisfactory and the modifications of the turbulence models which have been used in the numerical simulations are acceptable. It is also shown that the patch length and the vegetation density of the patch are important for the development of flow and turbulence characteristics, since the increase of vegetation density and patch length result to the acceleration of flow development inside the patch, while increase length downstream of the patch is required in order the effect of the patch to be considered negligible. The presence of the vegetation causes the reduction of the discharge capacity of the channels. It is also found that the discharge capacity of the channels is affected by the location of vegetation inside the channel.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε αριθμητικά η επίδραση της βλάστησης σε τυρβώδεις ροές σε ανοιχτούς αγωγούς. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση “νησίδας” βλάστησης σε ροές ανοιχτών αγωγών και η τριδιάστατη ροή σε αγωγούς οι οποίοι καλύπτονται μερικά από βλάστηση. Για τις περιπτώσεις αυτές γίνεται ανάλυση της επίδρασης διαφόρων χαρακτηριστικών βλάστησης όπως είναι ο λόγος βύθισης και η πυκνότητα βλάστησης, ενώ ερευνήθηκε και η επίδραση της βλάστησης στην παροχετευτική ικανότητα των αγωγών. Για τη μελέτη των ροών αυτών εφαρμόστηκαν τροποποιήσεις σε μοντέλα τύρβης που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις και τα οποία αξιολογήθηκαν με βάση συγκεκριμένα κριτήρια αξιολόγησης. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής FLUENT ο οποίος στηρίζεται στην τεχνική των πεπερασμένων όγκων. Η επίλυση ροών σε ανοιχτούς αγωγούς με παρουσία βλάστησης απαιτεί την εφαρμογή χωρικής και χρονικής ολοκλήρωσης των εξισώσεων Navier-Stokes και των εξισώσεων μεταφοράς των μοντέλων τύρβης μέσω της διαδικασίας της διπλής ολοκλήρωσης. Οι επιπλέον όροι που προκύπτουν στις εξισώσεις απαιτούν μοντελοποίηση ώστε να προκύψει το “κλείσιμο” των εξισώσεων. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις στηρίζονται σε εργαστηριακά πειράματα των Dunn et al. (1996), Poggi et al. (2004) και Huthoff and Augustijn (2006) όσον αφορά την αξιολόγηση των μοντέλων τύρβης, ενώ για τη μελέτη της επίδρασης της “νησίδας” βλάστησης χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά αποτελέσματα των Bouma et al. (2007). Τέλος, πειραματικά αποτελέσματα των White and Nepf (2007) χρησιμοποιήθηκαν για τις περιπτώσεις τριδιάστατων ροών σε αγωγούς οι οποίοι καλύπτονται μερικά από βλάστηση. Από την αξιολόγηση της υπόθεσης Boussinesq προέκυψε ότι για την περιοχή της διεπιφάνειας μεταξύ της βλάστησης και της ελεύθερης ροής απαιτείται η μοντελοποίηση των πρόσθετων όρων που προκύπτουν από την εφαρμογή της μεθόδου διπλής ολοκλήρωσης. Η σύγκριση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα, αλλά και με ημι-εμπειρικές σχέσεις είναι ικανοποιητική με αποτέλεσμα οι τροποποιήσεις μου εφαρμόστηκαν στα μοντέλα τύρβης να μπορούν να θεωρηθούν αποδεκτές. Διαπιστώθηκε επίσης ότι το μήκος της “νησίδας βλάστησης και η πυκνότητα της βλάστησης μέσα στη “νησίδα” επιταχύνουν την ανάπτυξη πλήρως αναπτυγμένους ροής μέσα στη “νησίδα”, ωστόσο παράλληλα έχουν σαν αποτέλεσμα την αύξηση του μήκους κατάντη της “νησίδας” που απαιτείται ώστε να επανέλθει η ροή στις αρχικές της συνθήκες. Τέλος, η παρουσία της βλάστησης έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της παροχετευτικής ικανότητας των αγωγών, ενώ διαπιστώθηκε ότι η παροχετευτική ικανότητα των αγωγών επηρεάζεται από την τοποθέτηση της βλάστησης σε διάφορες θέσεις μέσα σε αυτούς.