Three dimensional computation of turbulent flow in meandering channels

In this study a finite element calculation procedure together with two-equation turbulent model k-#epsilon# and mixing length are applied to the problem of simulating 3D turbulent flow in closed and open meandering channels. Near the wall a special approach is applied in order to overcome the weakness of the standard k-#epsilon# in the viscous sub-layer. A specialized shape function is used in the special near wall elements to capture accurately the strong variations of the mean flow variables in the viscosity-affected near wall region. Based on the analogy of water and air flows, a few characteristics of hydraulic problems can be examined in aerodynamic models, respectively. To study the relationships between an aerodynamic and a hydraulic model many experiments have been carried out by Federal Waterway Engineering and Research Institute of Karlsruhe, Germany. In order to test and examine the results of these physical models, an appropriated numerical model is necessary. The numerical mean will capture the limitations of the experimental setup. The similarity and the difference between an aerodynamic and a hydraulic model will be found out by the results of numerical computations and will be depicted in this study. Despite the presence of similarities between the flow in closed channels and the flow in open channels, it should be stated that the presence of a free surface in the open channel introduces serious complications to three dimensional computation. A new unknown, which represents the position of nodes on this free surface, is introduced. A special approach is required for solving this unknown. A procedure surface tracking is applied to the free surface boundary like a moving boundary. Grid nodes on the free surface are free to move in such a way that they belong to the spines, which are the generator lines to define the allowed motion of the nodes on the free surface. (orig.)Die numerische Simulation ist heute ein wichtiges Hilfsmittel fuer die Loesung von Ingenieursproblemen bei Stroemungen in Aerodynamik- und Hydrauliksystemen. Sie dient der Erklaerung, dem Pruefen von Varianten und der Vorhersage. Die Untersuchung der Stroemungsverhaeltnisse in Gerinnekruemmungen und deren Auswirkungen ist bedeutsam bei wasserbaulichen Projekten. In Gerinnekruemmungen stellen sich sehr ungleichfoermige Geschwindigkeitsverteilungen ein. So sind entsprechend den sedimentologischen Verhaeltnissen die Aussenboegen einer Kruemmung einer fortlaufenden Erosion ausgesetzt, waehrend im Bereich der Innenboegen die Ablagerung erodierter oder mitgefuehrter Sedimente erfolgt. Diese Erscheinung bewirkt eine staendige Veraenderung des Flussbettes. Die vorliegende Arbeit stellt ein numerisches Loesungsverfahren vor, das die dreidimensionalen Stroemungszustaende in Gerinnekruemmungen unter Beruecksichtigung des freien Wasserspiegels vollstaendig loest. Die Entwicklung beruht auf dem numerischen Konzept der Finite Elemente Methode. Zur Modellierung der Turbulenz wird das k-#epsilon# Modell und die Mischweglaenge mit einer speziellen Ansatzfunktion in Wandgrenzschichten eingesetzt. Die Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Modellierung fuer Stroemungen mit komplexen Geometrien und freier Oberflaeche, wie sie insbesondere in natuerlichen Fliessgewaessern anzutreffen sind. (orig.)Available from TIB Hannover: RA 2037(208) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman