Three-dimensional modelling of free surface variation in a meandering channel

摘要

Cet article présente une étude numérique tridimensionnelle pour le calcul de l'écoulement à surface libre turbulent dans un canal à méandres. Le calcul de l'écoulement est exécuté en faisant la moyenne de Reynolds tridimensionnelle des équations de continuité et de Navier-Stokes avec un modèle de turbulence k - ε pour l'écoulement permanent. Les équations du modèle sont résolues numériquement avec un code général en volumes finis. Une condition aux limites de surface libre est utilisée pour la déformation de la surface de l'eau dans l'écoulement du canal à méandres. L'effet de la maille de résolution sur la solution est également étudié. La performance du modèle est évaluée en comparant des résultats prédits aux données expérimentales de haute qualité obtenues à grande échelle à partir du laboratoire Britannique d'études des crues de rivières et des inondations. Les distributions prédites du niveau de surface de l'eau, de l'effort de cisaillement du lit et des vitesses transversales et longitudinales sont employées pour étudier les performances du modèle. Les capacités prédictives du modèle sont également évaluées avec une surface plane et avec la méthode de surface poreuse, en ce qui concerne la distribution de l'effort de cisaillement du lit. Les résultats prouvent que la condition de surface libre pour la variation spatiale de la surface de l'eau est essentielle pour la prévision précise de l'effort de cisaillement du lit.%This paper presents a three-dimensional numerical study for the calculation of turbulent free surface flow in a meandering channel. The flow calculation is performed by solving the three-dimensional Reynolds-averaged continuity and Navier-Stokes equations with the k-ε turbulence model for steady-state flow. The model equations are solved numerically with a general-purpose finite-volume code. A free surface treatment for the spatial variation of the water surface in meandering open channel flow is employed. The effect of mesh resolution on the solution is also investigated. The performance of the model is assessed by comparing predicted results with the large-scale high-quality experimental data obtained from the UK Flood Channel Facility for inbank flow. The predicted distributions of water surface elevation, bed shear stress and streamwise and transverse velocities are used to investigate model performance. The predictive ability of the model is also assessed against the simulations with a planar surface assumption and use of the surface porosity method with regard to the distribution of bed shear stress. The results show that the free surface treatment for the spatial variation of the water surface is vital for the accurate prediction of bed shear stress.