Experimental and theoretical analyses of two-dimensional flows upstream of broad-crested weirs

摘要

Using the particle image velocimetry (PIV) technique, the laboratory experiments are conducted to measure the velocity fields of two-dimensional turbulent free surface flows upstream of rectangular and triangular broad-crested weirs. The experimental flow cases are analyzed theoretically by a computational fluid dynamics (CFD) modeling in which the finite element method is used to solve the governing equations. In the CFD simulation, the volume of fluid (VOF) method is used to compute the free surfaces of the flows. Using the standard k-ε and standard k-ω turbulence models, the numerical results for the velocity fields and flow profiles are compared with the experimental results for validation purposes. The computed results using k-ω turbulence model on compressed mesh systems are found in good agreement with measured data. The flow cases are also analyzed theoretically using the potential flow (PF) approach, and the numerical results for the velocity fields are compared with measurements.%Au moyen de la technique de vélocimétrie par imagerie de particules (« PIV »), des expériences en laboratoires sont effectuées pour mesurer les champs de vitesse des écoulements turbulents bidimensionnels à surface libre en amont de déversoirs rectangulaires et triangulaires à seuil épais. Les cas expérimentaux d'écoulements sont analysés théoriquement par une modélisation de dynamique des fluides numérique dans laquelle la méthode par éléments finis est utilisée pour résoudre les équations principales. Lors de la simulation par dynamique des fluides numérique, la méthode de volume de fluide (« VOF ») est utilisée pour calculer les surfaces libres des écoulements. En utilisant les modèles de turbulence standards k-ε et k-ω, les résultats numériques des champs de vitesse et les profils des écoulements sont comparés aux résultats expérimentaux à des fins de validation. Les résultats calculés utilisant le modèle de turbulence k-ω sur les réseaux maillés comprimés correspondent bien aux données mesurées. Les écoulements sont aussi analysés théoriquement en utilisant l'approche de l'écoulement potentiel; les résultats numériques des champs de vitesse sont comparés aux mesures.