Numerical investigation on scour around a cylinder and stabilities of scour protections

Abstract

En tredimensjonal numerisk modell brukes til å undersøke lokal erosjon rundt en sylinder i en rektangulær kanal under strøm. Numerisk modellering av erosjon rundt en sylinder er utfordrende fordi beregningene krever at man gjør tilnærminger. Målet med denne oppgaven er å undersøke ulike parametere i det numeriske oppsettet for å få en erosjonsmønster som ligner på eksperiment fra laboratoriet. Målet er også å undersøke effekten av erosjonsbeskyttelse for å møte utfordringene til fremtidige konstruksjoner.

Den valgte numeriske modellen er beregnet med en sedimenttransportmodell i REEF3D::CFD. Sedimenttransportmodellen estimerer erosjon av sedimenter ved å kalkulere skjærspenningen. Erosjon av sedimenter starter når skjærspenningene på havbunnen overstiger den kritiske skjærspenningen. Skjærspenning på bunnen beregnes med flere tilnærminger, der formuleringen er basert på turbulent kinetisk energi som resulterte i den beste konturen av erosjonsen rundt sylinderen. Algoritmen for sandskred bestemmer helningen til sedimentoverflaten og omfordeler sedimentene hvis skråningen overskrider friksjonsvinkelen. Effekten av å endre parametere som den kritiske Shields parameteren, reduksjonfaktor, ekvivalent sandruhet og suspendert transportlast er også presentert i denne oppgaven.

Den numeriske modellen er testet med å øke diameteren på sylinderen, og legge til erosjonsbeskyttelse. Diameteren ble økt for å se om flere elementer rundt sylinderen kunne påvirke den lokale erosjonen. Resultatene viste en forstørret dybde og form på skuringen for sylindre med større diametre. Erosjonsbeskyttelsen ble undersøkt med en forenklet modell løst med sedimenttransportmodellen. Resultatet viste et tydelig mønster der erosjon ble redusert.

A three-dimensional numerical model is used to investigate local scour around a cylinder in a rectangular flume under current. Numerical modelling of scour around a cylinder is challenging, since the required accuracy of the velocity field is not available due to computational capacity. Therefore, the numerical model must have approximations. The goal of this thesis is to investigate different parameters in the numerical setup in order to obtain a scour profile that fits the result of an experiment. The goal is also to examine the effect of scour protection in order to meet the challenges of future structures.

The chosen numerical model is calculated with a sediment transport model in REEF3D::CFD. The sediment transport model estimates the scour of sediments by caculating the bed shear stress. The initiation of motion begins when the bed shear stress exceeds the critical shear stress. The bed shear stress is calculated with several approaches, in which the formulation based on the turbulent kinetic energy resulted in the best contour of the bed surface. The sandslide algorithm determines the slope of the bed and redistributes the sediments if the slope exceeds the angle of repose. The effect of changing parameters such as the critical Shields parameter, shear stress reduction, equivalent sand roughness and suspended transport load are also presented in this thesis.

The numerical model are tested with increasing the diameter of the cylinder and adding scour protection. The diameter was increased to see if more elements surrounding the cylinder could influence the local scour. The results showed an enlarged depth and shape of the scour for cylinders with larger diameters. The scour protection was investigated with a simplified model solved with the sediment transport model. The result showed a clear pattern where the scour was reduced.