Analysis of flow field in open channels with a backward facing step

Abstract

Bu matematiksel akış analizi, sabit 1.5 metre su derinliğine sahip geriye dönük tek kademeli açık kanalda ifa edilmiştir. Fiziksel model boyunca büyüklük oranının ve akış hızının etkilerini incelemek için farklı iki kademe büyüklük oranı 1.5 ve 2, farklı akış hızları 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 7.5 ve 10 ms-1 ile akışkanlar dinamiği similasyonu yapılmıştır. Analizler iki denklemli türbülans modelleri kullanilarak yapılmıştır, bunlar; standart k-ε, RNG k-ε, gerçekleştirilebilir (realizable) k-ε, Wilcox k-ω ve SST k-ω. Simulasyonlar, ticari bir CFD programı olan ANSYS FLUENT yardımıyla yapılmıştır. Analizler, geri-dönüşüm uzunluğunun (reattachment length), kademe, akış hızı ve Reynolds katsayı artışı ile arttırdığını ortaya çıkarmıştır. Farklı kademe oranları ve farklı akış hızlarıyla yapılan analizlerde türbülans modellerinde kayda değer bir fark olmadığı görülmüştür.Anahtar Kelimeler: Geriye dönük kademe, Geri-dönüşüm uzunluğu, Kademe genişliği oranı, k-ε türbulans modeli, k-ω türbulans modeli, FLUENT

Computational examinations were performed on flow field in an open channel having a single backward facing step with a constant water depth of 1.5 m. The effects of the expansion ratio and the flow velocity on the reattachment length are investigated by employing two different expansion ratios of 1.5 and 2, and eight diverse flow velocities of 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 7.5 and 10 ms-1 in the computational fluid dynamic (CFD) simulations. Analyses were performed by using two equation turbulence closure models, namely, standard k-ε, RNG k-ε, realizable k-ε, Wilcox's k-ω and SST k-ω. Commercially available CFD software, ANSYS FLUENT, was used for simulations. The analyses have revealed that the reattachment length increases with increase in the expansion ratio, the flow velocity and the Reynolds number. The results acquired for both expansion rates and eight unlike flow velocities have shown insignificant differences from one turbulence closure model to the other. Keywords: Backward facing step, Reattachment length, expansion ratio, k-ε model, k- ω model, FLUENT.