Free-surface flow interface and air-entrainment modelling in hydraulic structures

Abstract

Quando a superfície livre se torna turbulenta e as instabilidades na interface entre o ar e a água são suficientemente grandes para quebrar as forças de tensão superficial, pode ocorrer emulsionamento de ar. O estudo do emulsionamento de ar é de grande importância para a engenharia. São exemplos desses estudos a avaliação das perdas de energia e da altura mínima das paredes resultantes do dimensionamento de descarregadores de barragens, a previsão da perda/ganho de eficiência de drenagem em dispositivos de drenagem urbana pela presença de ar nas condutas, a simulação dos aspetos hidrodinâmicos resultantes da rebentação de ondas, ou a modelação dos processos de oxigenação de rios. No entanto, este fenómeno não pode ser resolvido usando apenas modelos baseados na técnica de Volume de fluido (VOF). O maior desafio reside na simulação da superfície livre, onde os modelos VOF comprovaram ser precisos, em conjunto com as pequenas flutuações da superfície livre (ordem de milímetros). Estas últimas tendem a ser menores do que o tamanho da malha de cálculo, e por isso não são detetáveis com modelos VOF, impedindo a correta simulação dos processos de formação de bolhas de ar, do seu transporte e das interações bolha/água. O principal objetivo desta Tese é a simulação e análise das características fundamentais do escoamento com superfície livre em estruturas hidráulicas usando o modelo VOF presente no OpenFOAM (R), para posteriormente melhorar a capacidade do "solver" original em simular o fenómeno de emulsionamento de ar. A investigação apresentada nesta Tese começa por uma revisão da literatura onde são apresentados os principais métodos numéricos capazes de lidar com escoamentos ar/água com diferentes abordagens: escoamentos com superfície livre; escoamentos com fase continua e fase dispersa; escoamentos com superfície livre e uma fase dispersa; e principais conceitos sobre modelação do fenómeno de emulsionamento de ar. A par da realização de ensaios experimentais em sumidouros, caixas de visita e descarregadores em degraus, onde foram medidas a velocidade do escoamento, a posição da superfície livre e a concentração do ar, foram realizados vários testes numéricos com o objetivo de avaliar e melhorar a precisão e confiabilidade do "solver" interFoam do OpenFOAM (R) relativamente ao comportamento hidrodinâmico do escoamento e a posição da superfície livre. Finalmente foi desenvolvido um novo "solver" capaz de avaliar a quantidade de ar gerada à superfície livre devido ao fenómeno de emulsionamento de ar, e de transportá-lo de acordo com o movimento do escoamento. Este "solver" utiliza um termo fonte para a deteção da quantidade de ar gerado por emulsionamento que foi, nesta Tese, tornado independente de quaisquer fatores de calibração. As principais conclusões desta Tese mostram que o "solver" interFoam é capaz de resolver os processos hidrodinâmicos dos escoamentos em sumidouros e descarregadores em degraus e determinar a posição da superfície livre com grande robustez e precisão. Foi inclusivamente descrito um novo fenómeno de escoamento alternado no descarregador em degraus e produzida uma nova metodologia de deteção da superfície livre quando usado um modelo VOF. O novo modelo de emulsionamento de ar mostrou ser uma ferramenta eficaz na previsão da quantidade de ar formada à superfície livre e do seu transporte no seio da fase líquida do escoamento. Esta inclusão da fase dispersa permitiu a observação de um aumento da altura do escoamento no caso do descarregador de degraus e um incremento do coeficiente de drenagem no sumidouro. Foi também verificado que as velocidades encontradas na fase líquida não se alteraram significativamente com a presença de pequenas quantidades do ar.

When the free-surface becomes turbulent and interface instabilities are large to disrupt the surface tension, a phenomena of air-entrainment or self-aeration is likely to occur. Engineering concerns on the air-entrainment topic are vast. For instance the estimation of energy losses and the minimum walls height during the design stage of a spillway, the prediction of the loss/gain of efficiency in urban drainage elements due to air in pipes, the simulation of the hydrodynamic features of breaking waves, or even the simulation of river oxygenation in environmental engineering. However, this phenomena is far from being perfectly predicted using the common Volume-of-Fluid (VOF) models. The main challenge resides in simulation of the free-surface, in which the VOF models have proven to be accurate, together with the small fluctuations at the interface (order of millimetres). The smallest scales are likely to be smaller than the grid size, therefore not simulated by VOF models, but are still important in the simulation of bubble formation, their transport and iterations throughout the flow. The aim of this Thesis is to replicate and analyse the free-surface flow characteristics in hydraulic structures using the VOF model present in the OpenFOAM (R), and further enhance the ability of the original solver to deal with the air-entrainment process. The research presented in this Thesis starts by reviewing the literature on the most relevant numerical methods to deal with air-water flows in different approaches: free-surface flows, continuous-dispersed flows, free-surface flow with disperse phase and air-entrainment modelling. Physical experiences are performed in gullies, manholes and stepped spillways structures in order to acquire the flow velocities, free-surface position and air-concentration values. Further, several numerical tests in terms of accuracy and reliability of the interFoam solver, present in the OpenFOAM (R) toolbox, are performed to examine the flow hydrodynamics and free-surface position. Lastly, a new solver that computes the quantity of air generated at the free-surface and conveys that amount to the water body was developed and tested to the case of a stepped spillway and a gully. This solver uses a renewed air-entrainment source term that requires no calibration factor. The main conclusions drawn are that interFoam solver returns a very robust and reliable solution of flow dynamics and free-surface position when applied to cases as gullies and stepped spillways. An alternating skimming flow over the stepped spillways was described and a new methodology for free-surface detection when a VOF model is used was proposed. The new air-entrainment model proved to be an effective tool in the prediction of the quantity of air created at the free-surface and conveyed with the flow. The inclusion of dispersed air in the simulation contributed to the increment of flow depth in the stepped spillway and to a slight increase of drainage efficiency in case of the gully. The water velocities showed not to be affected by the presence of small quantities of dispersed air.