Submerged hydraulic jump : a computational analysis in different scales a computational analysis in different scales

Abstract

Advancements in computational capabilities have enabled engineers and scientists to numerically model complex turbulent phenomena such as hydraulic jumps. This research assesses the capability of numerically simulating a hydraulic jump that occurs in the UHE Porto Colômbia’s stilling basin at a flow rate of 4,000 m³/s. To achieve this, simulation results were compared with data from three hydraulic physical models (scales 1:32, 1:50, and 1:100) and full-scale measurements. The simulations employed the Ansys CFX solver, utilizing a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach, the RNG κ-ε turbulence model, and the Volume of Fluid (VOF) method for air-water interactions. Various variables were analyzed, with satisfactory results for mean pressures, conjugated depths, roller length, water profile in less aerated areas, and mean velocity at the submerged hydraulic jump upstream section, with errors below 10%. However, the submerged hydraulic jump’s start position and the representation of the water surface profile in the region near the jump toe yielded more disparate results. In conclusion, the methods and conditions applied in the simulations are apt for representing variables less impacted by aeration phenomena, establishing CFD simulations as a valuable tool for hydraulic jump analysis.

A evolução da capacidade de processamento e memória dos computadores propiciou aos engenheiros e cientistas a modelagem numérica de fenômenos de natureza turbulenta complexa, tal como os ressaltos hidráulicos. Essa pesquisa avalia a capacidade de simular numericamente um ressalto hidráulico que ocorre na bacia de dissipação da UHE Porto Colômbia com uma vazão de 4,000 m³/s. Para isso, os resultados das simulações foram comparados com dados medidos três modelos físicos hidráulicos (escalas 1:32, 1:50 e 1:100) e medições em protótipo. As simulações utilizaram o solver Ansys CFX, empregando uma abordagem baseada em nas equações médias de Navier-Stokes por decomposição de Reynolds (RANS), o modelo de turbulência RNG κ-ε e o método Volume of Fluid (VOF) para interações água-ar. Diversas variáveis foram analisadas, com resultados satisfatórios para pressões médias, profundidades conjugadas, comprimento do rolo, perfil da linha d'água em áreas menos aeradas e velocidade média na seção de montante do ressalto hidráulico submerso, com erros inferiores a 10%. No entanto, a posição de início do ressalto hidráulico submerso e a representação do perfil da superfície da água na região próxima ao pé do ressalto apresentaram resultados mais discrepantes. Em conclusão, os métodos e condições aplicados nas simulações são adequados para representar variáveis menos afetadas pelo fenômeno de aeração, estabelecendo as simulações em CFD como uma ferramenta valiosa para a análise de ressaltos hidráulicos.