3D CFD Simulation of morphological changes in 180° bend due to different spur dike shapes

Abstract

Denne studien fokuserer på analysen av forskjellige neddykkede former og suksesser i en rektangulær kanal med 180 ° sving og 2% sengshelling for å forhindre skuring og sediment bunnfall. For å oppnå dette målet brukes en beregningsvæddynamisk (CFD) modell. Den numeriske modelleringsprogramvaren som er istribuert er SSIIM, utviklet av prof. Nils Reidar B. Olsen ved NTNU (Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet). Skuring i en umodifisert rektangulær kanal med 180 ° sving og 2% sengshelling oppstår yttersiden av kurven, mens vi observerer en sedimentforverring og avsetting i indre side (se kapittel 2.4). Ulike former på diker, suksesser og relative elementer ble studert for å finne rimelige alternativer for effektiv elveopplæring målinger. Allerede kjente dike-former (som I-form, L-form, T-form) (Nayyer et al., 2019) ble analysert, i tillegg et nytt formkonsept designet av forfatteren, kalt Broken Lshape (BL-form) ble undersøkt. Det ble fokusert på BL-resultater for å forstå om det nye konseptet kan være et uredelig alternativ til den allerede kjente nsporingsdykkens former. Først, systemrespons på hver enkelt spore dike form, plassert ved 90 av 180 svingen blir analysert og sammenlignet. Resultatene viser forskjellig konfigurasjonsatferd mot bankers skurbeskyttelse, sedimentforverring, flytkanalisering og transport av sediment. Ingen av singular-dike konfigurasjoner kunne forhindre tilstrekkelig skuring av banken på utsiden av svingen under de definerte systemforholdene. Deretter ble en rekkefølger med sporformede diker vurdert. Resultatene viser, under de definerte systemforholdene, at spor av dikesekvenser er mer effektiv enn en-dike-konfigurasjonen for å forhindre at banker skurer og avleder skjær spenninger fra kritiske områder til midten av kanalen. Alle de forskjellige suksessene analysert har gitt tilfredsstillende beskyttelse mot bankskuring. Etterfølgelsesanalysen viste det forskjellige former, plassert på de samme stedene, har en annen oppførsel og bankskuring forebyggingstørrelse. Energispredning og sedimenttransportanalyse ble utført systemnivå. Resultatene fra rekkefølgen viste en gradvis reduksjon av den ytre skurbeskyttelsen og skjærspenningsavbøyning fra seng fra konfigurasjon T5, som går gjennom konfigurasjon I5 og L5, til konfigurasjon BL5 (se tabell 10 i kapittel 8). Høyere skurbeskyttelsesfunksjon, høyere er ulempene med den valgte arven etter sedimentforverring, flytkanalisering og sedimentkontinuitet. Fra et elveopplæringssynspunkt er de anvendte tiltakene ofte designet for å fordele spenningene og sengenivåmønstrene så jevnt som mulig langs seksjonen, nedbemanning av kritiske områder. Samspillet mellom suksess med BL-form og flyt resulterer i en lavere skuresikring av banken, men en mer jevnt fordelt sengeskjærspenning og sengnivåmønster respekterer de andre analyserte figurene, og gjør det nevnte formalternativet et interessant og egnet alternativ for elveopplæringstiltak ved bruk av sporveier.

This study focuses on the analysis of different submerged dikes shapes and successions in a rectangular channel with a 180° bend and 2% bed slope in order to prevent scouring and sediment aggradation. To achieve this goal a computational fluid dynamic (CFD) model is used. The numerical modelling software deployed is SSIIM, developed by Prof. Nils Reidar B. Olsen at NTNU (Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet). Scouring in an unmodified rectangular channel with a 180° bend and 2% bed slope occurs on the outer side of the curve, while we observe a sediment aggradation and deposition in the inner side (see Chapter 2.4). Different shapes of dikes, successions and relative elements positions were studied in order to find reasonable alternatives for effective dikes river training measures. Already known dike’s shapes (as I-shape, L-shape, T-shape) (Nayyer et al., 2019) were analyzed, additionally a new shape concept designed by the Author, called Broken Lshape (BL-shape) was examined. A focus were made on BL results in order to understand if the new concept could be a valide alternative to the already known spur dike’s shapes. First, the system response to each singular spur dike shape, placed at 90° of the 180° turn is analyzed and compared. Results shows different configurations behaviour towards banks scour protection, sediment aggradation, flow channelization and sediment transport. None of the singular-dike configurations could prevent sufficiently the bank scouring on the outer side of the turn under the defined system conditions. Then a succession of same shape spur dikes were considered. The results shows, under the defined system conditions, that spur dikes successions are more effective than the single-dike configuration in preventing banks scouring, deflecting bed shear stresses from critical areas to the middle of the channel. All the different successions analyzed have provided satisfying bank scour protection function. The successions analysis showed that different shapes, positioned in the same locations, have a different behaviours and bank scour prevention magnitude. Energy dissipation and sediment transport analysis were carried out on system level. Successions results showed a gradual decrease of the outer bank scour protection and bed shear stress deflection from configuration T5, passing through configuration I5 and L5, to configuration BL5 (see Table 10 in Chapter 8). Higher the scour protection function, higher are the drawbacks of the selected succession towards sediment aggradation, flow channelization and sediment continuity. From a river training point of view, the applied measures are commonly designed to distribute the stresses and the bed level patterns as uniformly as possible along the section, downsizing critical areas. The interaction of BL-shape succession with the flow results in a lower bank scour protection but a more evenly distributed bed shear stress and bed level pattern respect the other analyzed shapes, making the aforementioned shape-option an interesting and suitable alternative for river training measure using spur dikes.