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

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.