Numerical Investigation of Flow Characteristics and Discharge Coefficients on a Submerged Cylindrical Weir-Gate by Using Computational Dynamics

Document Type : Research Paper

Authors

Tehran Payam Noor University

Abstract

Combined structure of weir and gate due to the simultaneous flow of suspended material from on the overflow and material deposited in the flow of water from the valve section, provides better conditions compared to other structures used to measure the discharge in the channels. Nowadays, numerical solution methods without the need of laboratory equipment and the ability to calculate the desired parameters, with low time and cost is considered as one of the efficient methods of flow analysis. In this research, by using CFD and numerical solution method with FLOW-3D software for different diameters of combined structure of weir and gate was simulated. Flow simulation was performed in a channel with 3 mm length, 0.4 mm width and 0.5 mm height. The models were studied in cylindrical diameter of 5, 7.5, 10 and 12.5 cm, and for openings gates of 1, 2 and 3 cm. The flow was also simulated and studied for all models at 4 discharges of 12, 16, 20 and 22 lit/s. Comparing the discharge coefficient results with the dimensionless parameter of water depth upstream to water depth downstream of the overflow-valve combined model, it was observed that the numerical results obtained using the RNG turbulence model provide closer data to laboratory results. In the validation stage of numerical results with laboratory outputs of previous researches, the error percentage of the simulated model was calculated to be less than 5%, which indicates the acceptable accuracy of numerical modeling. The results showed that with increasing the flow, when the diameter and opening of the valve are fixed, the flow coefficient increases. At a constant diameter of the overflow-valve model, the flow coefficient decreases in exchange for increasing the valve opening. For a constant flow rate and diameter, changes in flow rate decrease with increasing valve opening height. It was also observed that the curvature of the flow surface profile increases with increasing diameter of the cylindrical model.
 

Keywords

References

 
اسماعیلی،ک.، نقوی، ب.، کورش وحید، ف. و یزدی، ج.، (1389)، "مدل‎سازی آزمایشگاهی و عددی الگوی جریان در سرریزهای استوانه‌ای"، نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 24(1)، 189-166.
رودی، و. شاملو، ح،. (1388)، مدل‌های آشفتگی و کاربرد آن در هیدرولیک، انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.
قادری، ا. دانش‎فراز، ر. و قهرمان‎زاده، ع.، (1395 الف)، "بررسی عددی ضریب دبی جریان عبوری از سرریز-دریچه کنگره‌‌ای با ارتفاع بازشدگی دریچه مختلف"، اولین کنفرانس بین‎المللی آب، محیط‎زیست و توسعه پایدار، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
قادری، ا. دانش‎فراز، ر. و مینایی، ع.، (1395 ب)، "ارزیابی ضریب دبی جریان عبوری از سرریز-دریچه کنگره‌ای مستطیلی"، اولین کنفرانس بین‎المللی آب، محیط‎زیست و توسعه پایدار، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
قاسم زاده، ف.، (1394)، شبیه‌سازی مسائل هیدرولیکی در FLOW-3D، انتشارات نشر نوآور، تهران، ایران.
سلامتی، س.، دهقانی، ا.، مفتاح هلقی، م. و ظهیری، ع.، (1394)، "تخمین ضریب آبگذری سازه ترکیبی سرریز-دریچه با استفاده از روش برنامه‌ریزی ژنتیکی"، نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 22(2)، 255-263.
سوری، ا.، مسعودیان، م.، کردی، ا. و راتچر، ک.، (1393)، "بررسی آزمایشگاهی تغییرات ضریب دبی و افت انرژی در سرریز-دریچه استوانه‌ای با حرکت قائم"، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، 44(4)، 65-78.
شاهرخ‌نیا، م.ع و جوان، م.، (1382)، "تعیین سازه‌های تحویل آب در شبکه‌های آبیاری درودزن با استفاده از مدل ریاضی"، مجموعه مقالات یازدهمین همایش کمیته ملی آبیاری و زهکشی ایران، 633-654.
کرمی، ح.، فرزین، س.، حیدری، ع. و حسینی، خ.، (1396 الف)، "شبیه‌سازی مشخصات جریان روی سرریز نیمه استوانه‌ای با استفاده از نرم‌افزار عددی ANSYS CFX"، مجله مهندسی منابع آب، 10(34)، 51-60.
کرمی، ح.، فرزین، س.، ضمیری، ا. و نیر، ش.، (1396 ب)، "آنالیز عددی مشخصه‌های جریان عبوری از سرریز استوانه‌ای با استفاده از مدل FLOW-3D"، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب، 8(2)، 1-18.
مسعودیان، م.، سوری، ا. و ضیایی‌فر، س.، (1393)، "اثر چرخش سرریز-دریچه نیم استوانه‌ای بر میزان افت کارمایه و ضریب دبی"، مجله مهندسی منابع آب، 7(22)، 85-100.
مهتابی، ق. ارونقی، ه. و لطفی، پ.، (1395)، "مطالعه آزمایشگاهی ضریب دبی در سرریز-دریچه منشوری"، نشریه دانش آب و خاک، 26(1-4)، 255-268.
Chanson, H., (2009), “Discussion of hydraulics of broad- crested weirs with varying side slopes”, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 136(7), 508-509.
Chanson, H., and Montes, J.S., (1998), “Over flow characteristics of circular weirs: effects of inflow condition”, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 32(1), 152-161.
Ferro, V., (2000), “Simultaneous flow over and under a gate”, Irrigation and Drainage Engineering, 126(3), 190-193.
Fu, Z.F., Cui, Z., Dai, W.H., and Chen, Y.J., (2018), “Discharge coefficient of combined orifice-weir flow”, Water, 10(6), 699.
Hayawi, H.A.M., Yahia, A.A.G., and Hayawi, G.A.M., (2008), “Free combined flow over a triangular weir and under rectangular gate”, Journal of Damascaus University, 24(1), 9-22.
Jun-Fu, Y. Chih-Han, L., and Chang-Tai, T., (2001), “Hydraulic characteristics and discharge control of sluice gates”, Journal of Chinese Institute of Engineering, 24(23), 301-310.
Khassaf, S.I., and Habeeb, M., (2014), “Experimental investigation for flow through combined trapezoidal weir and rectangular gate”, International Journal of Scientific and Engineering Research, 5(4), 312-323.
Masoudian, M., Fendreski, R., and Gharahgezlou, M., (2013), “The effects of laboratory canal size and cylindrical weir-gate diameter on discharge coefficient”, Technical Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(15), 1630-1634.
Masoudian, M., and Gharahgezlou, M., (2012), “Flow characteristics of cylindrical weirs in a small laboratory canal”, Journal of Science Series Data Report, 4(4), 12-23.
Negm, A.M., El- Saiad, A.A., Alhamid, A.A., and Husain, D., (1994), “Characteristics of simultaneous flow over weirs and below inverted V- notches gate”, Journal of Civil Engineering Research, 16(9), 786-799.
Negm, A.M., El-Saiad, A.A., and Saleh, O.K., (1997), “Characteristics of combined flow over weirs and below submerged gates”, Proceedings of Al- Mansoura Engineering, 3(2), 259-272.
Saad, N.Y., and Fattouh, E.M., (2017), “Hydraulic characteristics of flow over weirs with circular openings”, Ain Shams Engineering Journal, 8(4), 515-522.
Severi, A., Masoudian, M., Kordi, E., and Roettcher, K., (2015), “Discharge coefficient of combined free over-under flow on a cylindrical weir-gate”, Journal of Hydraulic Engineering, 21(1), 42-52.
Journal of Water and Wastewater Science and Engineering
Volume 7, Issue 1
April 2022
Pages 6-22

Files

History

  • Receive Date: 22 July 2020
  • Revise Date: 22 September 2021
  • Accept Date: 04 October 2021

Share

How to cite

Statistics