Modification of a computational fluid dynamics model (ansys-fluent) for the purpose of river flow and sediment transport modeling

Abstract

Precise estimation of the sediment transport and settling velocity of particle in turbulent flows is required for many engineering applications including modeling of the transport of suspended sediments and the transport of particle pollutants. This study presents an approach for modification of an existing CFD Model for sediment transport in turbulent flow based on field measurements. In the first part, synchronized 3-D velocity and temperature time series were monitored at Büyük Menderes River in Turkey where the data were utilized to characterize the turbulence characteristics and model particle – fluid interaction. Sieve and hydrometer analysis were obtained from earlier studies to understand and modify sediment transport under different conditions via ANSYS Fluent programme. The second part of the study involved numerical modeling of hydrodynamics via 3D CFD model in the selected portion of a river body through use of field measurements conducted at the study site. The k-ω turbulence model found to be the best suited when such flow around a structure as piers or flow through a water intake is considered. Effect of particle size, concentration and modeling approach for particle motion are also investigated and Rossin Rammler Logarithmic Distribution and multiphase modeling approach was the most appropriate methods. This study involved development of an approach to modify drag force on sediment particles using turbulence characteristics in the Fluent solver as well.Türbülanslı akım içerisinde bulunan parçacık çökelme hızı ve sediment taşınımının hassas tahmini askıdaki ve kirletici parçacık taşınımını da içerisinde barındıran bir çok mühendislik uygulaması için gereklidir. Bu çalışma, ölçümlerden elde edilen arazi verilerinden faylanarak, varolan bir CFD Modeli’nde, türbülanslı akım içerisindeki sediment taşınımı üzerinde değişiklik yaklaşımı sunmaktadır. Çalışmanın ilk bölümünde, türbülansı karakterize edebilme ve parçacık - akışkan etkileşimini modelleyebilmek için Büyük Menderes Nehri’nde eş zamanlı 3 boyutlu hız ve sıcaklık zaman serileri ölçülmüştür. ANSYS Fluent programı kullanılarak farklı şartlar altındaki sediment taşınımını düzenlemek ve anlamak amacı ile önceki çalışmalardan elde edilen elek ve hidrometre analizlerine ulaşılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, CFD model yardımı ile arazi çalışmasının yapıldığı belli bir nehir bölgesinin sayısal hidrodinamik modellemesi yapılmıştır. K-ω türbülans modelinin, su alma yapıları ve köprü ayakları gibi bölgelerde en uygun sonucu verdiği görülmüştür. Aynı zamanda parçacık boyutu, konsantrasyonu ve modellemesi de bu çalışmada incelenmiştir ve Rossin Rammler Logarithmic Dağılımı (RRLD)’nın çok fazlı parçacık tanımlamalarında en uygun sonucu verdiği görülmüştür. Bu çalışma aynı zamanda, Fluent çözücüsü ile türbülans karakteristiklerinden faydanalanarak, sediment parçacıkları üzerindeki sürükleme kuvvetini düzenleme yaklaşımının geliştirilmesini içermektedir.