Simulation of Flow Characteristics Over Semi Cylindrical Weirs Using Ansys CFX Numerical Model

Document Type : Research Paper

Authors

• Hojat Karami
• Saeed Farzin
• Ali Heydari
• Khosrow Hosseini

Abstract

Weirs are the most important and very applicable barriers built across channels to control the flow of water or change its direction. They are also widely used in current measurement in open channels and many hydraulic engineering studies. The advantage of the semi-cylindrical and circular crested weirs as compared with other structures and measuring instruments is their higher discharge coefficient, stability of flow pattern, non-obstruction by floating materials, simplicity of design, durability, wide applicability and economics. One of the newest and most useful software in the field of computational fluid dynamics is Ansys CFX, which provides fairly reliable results. This software, which benefits from the continuity and momentum equations and the application of a turbulence model, was used to simulate flow over three semi cylindrical weirs with different radii in a laboratory study. After selecting the optimum mesh size for simulating the flow in the multiphase form of the fluid model, the k-ε, RNG k-ε and k-ω turbulence models were used to simulate the flow, and the results of the numerical solution was compared with the collected data extracted from experimenting with the physical models. The mesh size selection was based on the optimum mesh, root mean square error, mean absolute error and the coefficient of determination. The results showed that for cylinder with 4, 6, 7 cm radius, the discharge coefficient ranged from1.2 to 1.4. Furthermore, both the flow and the discharge coefficient increased with an increase in the radius. Moreover, the location of minimum pressure on the weir moved upstream with incremental discharge in conformity with previous studies.

Keywords

• Semi-cylindrical weir
• discharge coefficient
• Ansys CFX
• Turbulence models
• Fluid volume

20.1001.1.20086377.1396.10.34.5.5

---

References

1)       اسماعیلی، ک.، نقوی، ب.، کوروش وحید، ف.، یزدی، ج. 1389. مدل‌سازی عددی و آزمایشگاهی الگوی جریان در سرریزهای استوانه‌ای. نشریه آب‌ وخاک (علوم و صنایع کشاورزی) 24(1): 166-179.

2)       اژدری مقدم، م.، حیدری، ح.، جعفر طباطبایی، ب. ۱۳۹۰. بررسی عدد فرود جریان در ورودی حوضچه آرامش در سرریزهای منحنی پیوند با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D. ششمین کنگره ملی مهندسی عمران. دانشگاه سمنان.

3)       حیدر پور، م.، افضلی مهر، ح.، خرمی، ا. 1381. کاربرد تابع جریان اطراف سیلندر دایره‌ای شکل در سرریزهای تاج دایره‌ای. علوم فنون کشاورزی و منابع طبیعی 6(3):51-60.

4)       عباسپور، ا. 1394. تحلیل جریان بر روی سرریز استوانه‌ای به روش تابع جریان و مدل عددی. پایان­نامه کارشناسی ارشد. دانشکده علوم کشاورزی. دانشگاه تبریز.

5)       علیزاده صنمی، ف.، مسعودیان، م.، صانعی، م. 1395. بررسی تغییرات افت کارمایه جریان عبوری از سرریز- دریچه نیم استوانه‌ای با چرخش حول مرکز. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک 23(2):291-299.

6)       محمودیان شوشتری، م. 1388. اصول جریان در مجاری باز. جلد 2. انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز 

7)       ورجاوند، پ. فرسادی زاده، د. خسروی نیا، پ. رفیعی، ز. 1389. شبیه‌سازی جریان در سرریزهای

 

استوانه‌ای با Fluent و مقایسه نتایج با مدل فیزیکی. مجله دانش آب‌ و خاک 20(2): 59-69.

8)       هنر، ت. مظلوم شهرکی، ص. 1393.  تحلیل ضریب دبی سرریزهای جانبی استوانه‌ای و نیمه­استوانه­ای در جریان­های زیر بحرانی.مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. علوم آب و خاک 18(69): 141-150.

9)        Abdul-latif, T., and Abdul-Mohsen, M. 2010. Calibrating the discharge coefficient of semicircular crested weir Eng. and Tech. Journal 28:631-644.

10)    Bagheri, S., and Heidarpour, M. 2010. Application of free vortex theory to estimating discharge coefficient for sharp-crested weirs. Journal of Biosystems Engineering 105(3):423-427.

11)    Bos, M. G. 1976. Discharge measurement structures. International Institute for Land Reclamation and Improvement/ LIRI Wageningen. The Netherlands 20:107- 126.

12)    Chanson, H. 1996. Some hydraulic aspects during overflow above inflatable flexible membrane dam. Rep. CH47/96, Dept. of Civ. Engrg., University of Queensland, Australia, May.

13)    Chanson, H., and Montes, J. S. 1998. Overflow characteristics of circular weirs: Effects of inflow condition. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 124: 152-162.

14)    Chen, Q. Dai, G., and Liu, H. 2002. Volume of fluid for turbulence numerical simulation of stepped spillway overflow.J of Hydraulic Eng. 128:  683- 688.

15)    Dargahi, B. 2004. Experimental study and 3D numerical simulations for a free over flow spillway. Hydraul Engin. ASCE. 132: 899- 907.

16)    Fawer, C. 1937. Etude de Quelques Ecoulements Permanents a Filets Courbes (Study of some steady flows with curved streamlines) Thesis. Lausanne, Switzerland. Imprimerie La Concorde (in French).

17)    Hirt, C. W., and Nichols, B. D. 1981. Volume of fluid (Vof) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 39: 201–225.

18)    Kabiri-Samani, A. R., and Bagheri. S. 2014. Discharge coefficient of circular-crested weirs based on a combination of flow around a cylinder and circulation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 140:1-6.

19)    Parsaie, A., Haghiabi, A. H., Saneie, M., and Torabi, H. 2017. Predication of discharge coefficient of cylindrical weir-gate using adaptive neuro fuzzy inference systems (ANFIS). Frontiers of Structural and Civil Engineering 11: 111-122.

20)    Ramamurthy, A. S., and Vo, N. D. 1993. Characteristics of circular– crested weir flow. Journal of Applied Mechanics ASCE 114:61-73.

21)    Rehbok, T. 1929. The River hydraulic laboratory of the technical University of Karlsruhe. In Hydraulic laboratory practice (ASME, New York, USA) pp: 111-242.

22)    Sarginson, E. J. 1972. The influence of surface tension on weir flow. J. Hydr Res. Delft. The Netherlands 10: 431-446.

23)    sturm, T. W. 2001. Open channel hydraulics. McGraw-Hill book Company, New York.

24)    Yuce, M. I., Al-Babely, A. A., and Al-Dabbagh, M. A. 2015. Flow simulation over oblique cylindrical weirs. Canadian Journal of Civil Engineering 42: 389-407.