aplicaciones de la dinámica de fluidos computacional marcelo h

69
Aplicaciones de la Din Aplicaciones de la Din á á mica de mica de Fluidos Computacional Fluidos Computacional Marcelo H Marcelo H Garcia Garcia Alatna River, Alaska Segundo Seminario de Potamolog Segundo Seminario de Potamolog í í a a Jos Jos é é Antonio Maza Antonio Maza Á Á lvarez lvarez Restauraci Restauraci ó ó n de r n de r í í os para la sustentabilidad os para la sustentabilidad ambiental ambiental Villahermosa, Tabasco, 26 a 28 de Agosto de 2009 Villahermosa, Tabasco, 26 a 28 de Agosto de 2009 The Amazon River Bermejo River, Argentina Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

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Page 1: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Aplicaciones de la DinAplicaciones de la Dináámica de mica de Fluidos ComputacionalFluidos Computacional

Marcelo H Marcelo H GarciaGarciaAlatna River, Alaska

Segundo Seminario de PotamologSegundo Seminario de Potamologíía a ““JosJoséé Antonio Maza Antonio Maza ÁÁlvarezlvarez””

RestauraciRestauracióón de rn de rííos para la sustentabilidad os para la sustentabilidad ambientalambiental

Villahermosa, Tabasco, 26 a 28 de Agosto de 2009Villahermosa, Tabasco, 26 a 28 de Agosto de 2009

The Amazon River

Bermejo River, ArgentinaIntroduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 2: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

To Amazon river

UCAYALI RIVER

Flow

~ 10 Km

~ 25 Km~ 3.5 Km

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Page 3: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Key features – subaerial meandering channel

1. Water super-elevation

2. Natural Secondary flow or helical flowa. Response of flow to local curvatureb. Fully developed secondary flow

3. Steady bed morphology (depositional near inner-bank and erosional near outer-bank)

Water

Air

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

cc RH

gHU

RHFrSt

22==

Page 4: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Response to local curvature and development of the natural secondary flow

~S2

~S4

~S6

~λd

0≈∂∂s

sn

Inner bank Outer bank

B

Inner bankOu

ter

ban

k

Page 5: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

E ASTE AST

WESTWEST

VV11

VV44

VV33

VV22

F lo w m e te rF lo w m e te r

P umpP umpCS0

0CS0

0CS1

0CS1

0

C S 15

C S 15

CS20

CS20 CS3

0CS3

0

sk e we d

sk e we d

°=1100θ

mc 10~λ

2B=0.60mHc=0.40m

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 6: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

HTR

IP

CCG

Abad and Garcia (2009a)

Page 7: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Near Amazon river, Brazil(1)

In nature: Transitional secondary flows

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Page 8: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Randal Dinehart

Real bed morphology (bedforms)

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Page 9: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Parsons et al. (2005)

Real bed morphology (bedforms)

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 10: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

A

AA-A

δ

gas (φ<0.5)

liquid (φ>0.5)

5.0=φ (free surface)

real boundarynumerical boundary

� Finite element method (FEM), k- ε turbulence model, Unstructured mesh, Parallelizatio n with MPI, mesh partitioning with ParMETIS, parallel matrix solver with PETSc, LSM

Page 11: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Shedding bedforms

Abad and Garcia (2009b)Abad et al. (2009)

Real bed morphology (bedforms)

Page 12: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Using tetrahedral elements (only showing the triang les at the bed)

Hypothesis 1 Hypothesis 2 Hypothesis 3 Interpretation/Conclusions Future Research

Page 13: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Upstream conditionT = 1hr

Page 14: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

RVR Meander:RVR Meander:

A A linearizedlinearized model for model for meandering migration for largemeandering migration for large --spatial scalesspatial scales

Abad and Garcia (2006)Abad and Garcia (2006)

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Page 15: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

RVR Meander was developed using Visual C++, ArcObjects library

•Non-cohesive sediment• Quasi-steady condition

• Channel width is constant• Vertical banks• Bank erosion E (excess velocity)

RVR Meanderstand-alone

RVR Meanderfor GIS

(1) Pre-processing(2) Characterization of meandering rivers, (3) Planform migration

RVRMeander.exe

ArcGIS91RVRMeander.dll

RVR Meander (http://vtchl.uiuc.edu/our-work/software/rvrmeander/ )

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Page 16: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Enhancement of Enhancement of Conceptual modelConceptual model

Statistical analysis

Start

Input centerlines

Selection

End

River migration

Results

Statistical analysis module: requires 3 centerlines (t1, t2, valley)

River migration module: requires only one centerline (t1)

Input data : Initial curvature and perturbation velocity, α, Q, B, ds, #years, # iterations, EoInput data : Lag

time between t1 and t2, λmeander

Statistical analysis module : GUI showing parameters (Avg. shift, Sinuosity, Curvature, among other)

River migration module : GUI showing values of planform migration and drawing a new object ( Windows-based: polyline entity, GIS-based: shape file). Results can also be exported as ASCII file

Pre-processing

Characterization of rivers Planform evolution

RVR Meander flow chart

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Page 17: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

∑=

=

−=

4

1

1,)(

j

j

jji ssx α

∑==

−=

4

1

1,)(

j

j

jji ssy β

Guneralp & Rhoads (2006), Fagherazzi et al. (2004)

Parametric Cubic Splines

RVR Meander pre-processing tool (cubic splines and filtering)

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Page 18: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

RVR Meander migration model

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Page 19: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

RVR Meander : Bermejo River RVR Meander : Bermejo River ApplicationApplication

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Page 20: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

2005

Bermejo River

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Page 21: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

1972

2000 2005

1989Puente Lavalle Puente Lavalle

Puente Lavalle Puente Lavalle

Bermejo River

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Page 22: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Puente Lavalle

Bermejo River: Upstream effect

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Page 23: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Puente Lavalle

Bermejo River: Downstream effect

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Page 24: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Possible cutoff

Bridge Lavalle

Bermejo River

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Page 25: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

___ 2005 January

___ 2005 August

Bridge Lavalle

Q = 1500 m3/s

_ _ Valley

Valley 1.1120372005 Jan 1.4770252005 Aug 1.555021Average-stream 1.516023Average-change 0.155993

Sinuosity

Averaged-Valley 0.001473Averaged-2005Jan 0.000611Averaged-2005Aug 0.000626Averaged-changed Valley

0.000619

Curvature

Averaged Absolute Normal 128.9875Averaged Absolute Transversal 79.91783Averaged Absolute Longitudinal 84.7112Shift ratio (tras/long) 0.943415Averaged Transversal -79.9178Averaged Longitudinal 30.80746Area reworked 195.5481

Shift

Bermejo River

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Page 26: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

If Lup < Lds� Upstream skewedIf Lup > Lds� Downstream skewed

Bermejo River: Migration between Jan 2005 to Aug 2005

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Page 27: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

1) External boundary condition imposed by Lavalle bridge (Abad et al., 2006, Congreso Latinoamericano de Hidraúlica, Venezuela)

The case of freely meandering rivers

The case of the Bermejo River

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Page 28: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

1) External boundary condition imposed by Lavalle bridge (Abad et al., 2006, Congreso Latinoamericano de Hidraúlica, Venezuela)

The case of self-formed meandering rivers (Christian A. Braudrick and Bill Dietrich)

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 29: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

1) External boundary condition imposed by Lavalle bridge (Abad et al., 2006, Congreso Latinoamericano de Hidraúlica, Venezuela)

Experiments of self-formed meandering channels (Christian A. Braudrick and Bill Dietrich)T = 4 minutes, Q = 0.5 L/s T = 94 minutes, Q = 1.5 L/s T = 3.5 hours, Q = 0.76 L/s

T 10.8 hours, Q = 0.76 L/s T = 12.6 hours, Q = 1.5 L/s T = 13.5 hours, Q = 0.76 L/s

dλ dλdλ

dλ dλ dλ

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 30: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

CFD application to bank CFD application to bank erosion control erosion control –– a reacha reach --scale problemscale problem

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Page 31: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Sustainable Erosion ControlInstalling Willow Hurdles to Prevent Riverbank Erosion

- SW Londonhttp://www.slimwetwillows.co.uk/erosion.htm

Gabions

THE WES STREAM INVESTIGATION AND STREAMBANK STABILIZATION HANDBOOK

Surface armor

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Riverbank erosion control: direct methods

Page 32: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

(a) Palisades (b) Impermeable dikes

http://www.seamentshorelinesystem.com/groins.html

THE WES STREAM INVESTIGATION AND STREAMBANK STABILIZATION HANDBOOK, 1997

(c) Board Fence Retard

(d) Jack field (retard) (e) Bendway Weirs on Harland CreekSUBMERGED VANES

Riverbank erosion control: indirect methods

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Page 33: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Brookside farm (Sugar creek)Brookside farm (Sugar creek)

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Page 34: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Field measurements: Brookside farm (Sugar creek)

S1

S3S6 S4S7

S2

S8

S5

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Page 35: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Low-, medium- and high-flow conditions: Velocity mag nitude

Weir4Weir4Weir3Weir3Weir2Weir2Weir1Weir1

Weir5Weir5

Block 3

Weir4Weir4Weir3Weir3

Weir4Weir4Weir3Weir3

Weir4Weir4Weir3Weir3

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 36: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Near-bed U*: (a) Low-,(b) medium-,(c) high-flows

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 37: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Helical flow in a bend

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 38: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Secondary flow at Low-, medium- and high-flows

[4][4]

[4][4]

[4][4]

INNER BANKINNER BANKOUTER BANKOUTER BANKWeir4Weir4

Weir3Weir3

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 39: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Low flow: Weir 3 Stagnation line

Stagnation line

Stagnation line

WEIR 3Weir4Weir4

Weir3Weir3

Weir4Weir4

Weir3Weir3

Weir4Weir4Weir3Weir3

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 40: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Validation Section 4 – Low-flow condition

][ ][][][iMEAj

iMODj

iCOMj VVV −=

MEASURED MODELED DIFFERENCE

S1

S3S6 S4S7

S2S8

S5

BBW1

BBW2

BBW3BBW4

BBW5

(using k-e model)

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Page 41: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Shear layer and free surface

Introduction Background RVR Meander/Bermejo river Applications/BBW General Conclusions

Page 42: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Near bed shear velocity (m/s)α = 90° (LES modeling)

α = 40° (LES modeling)

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Page 43: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Three-dimensional Hydrodynamics and Water Quality Modeling of the Chicago River, IL

Xiaofeng Liu, Sumit Sinha, Nahil Sobh, Marcelo H. Garcia

Page 44: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Chicago River

Page 45: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 46: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 47: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 48: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 49: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 50: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 51: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Simulation Results for DO at 36th Street

0

2

4

6

8

10

12

14

12/24/2007 1/3/2008 1/13/2008 1/23/2008 2/2/2008 2/12/2008 2/22/2008 3/3/2008 3/13/2008

Date

DO

(m

g/l)

36th Street Avg

36th Street Layer 1

36th Street Layer 2

36th Street Layer 3

36th Street Layer 4

Measurement

DO Depletions

CSO Events

Page 52: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Objectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

Bubbly Creek, Chicago

Regimes� dry periods: no flow� heavy storms: Combined Sewer Overflow (CSO)

Page 53: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Objectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

CSO event -“Phase 1”

Model: 2-D depth-averaged STREMR-HySedWq

Flowdirection

Phase 1

Page 54: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Objectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

CSO event - “Phase 1” – Hydrodynamics

Page 55: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

After 7.66 hours After 7.66 hoursObjectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

“Phase 1” – Transport of sediments and water quality

Page 56: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Objectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

“Purification” scenariosSCENARIO 1: flow recirculation of 50 MGD (2.19 m3/s), northward flow in the creek Summer or after CSO event scenario; abstraction of daily fluctuation due to photosynthesis and respiration.� BOD: oxidation and settling � BOD concentration decreases; � DO: oxidation and sediment oxygen demand (SOD) from the bed � DO concentration decreases; reaeration from the atmosphere � DO concentration increases.

Page 57: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Objectives Bubby Creek The models CSO event “Purification” Conclusions

“Purification” scenarios (contd.)SCENARIO 2: flow recirculation (northward flow in the creek) plus supplemental aeration (1.31 g/s) in one location in the creekSCENARIO 3: flow recirculation (northward flow in the creek) plus supplemental aeration (1.31 g/s) in the recirculation pipe

Page 58: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Jackson et al.Science of the Total Environment

Evidence of Density Current at Confluence by Field Measurement

Page 59: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

ADCP Uplooker Measurement at the Upstream of the Junction Shows Density Current due to CSO

Page 60: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

CSO Event of 01/08/2008

CSO Event of 02/17/2008

Page 61: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

� Influence factors– Main channel discharge– CSO discharge– CSO particle concentration

Page 62: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 63: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 64: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 65: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H
Page 66: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Case 1

Case 2

Case 3

Case 4

Case 5

Case 6

Case 7

Page 67: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Qcso=35 m3/s

Effects of Main Channel Flow Discharge

0200400600800

10001200140016001800

0 5 10 15 20 25 30Main Channel Normal Flow (m3/s)

Fron

t Loc

ation

(m)

0

200

400

600

800

1000

Plun

ging P

oint (

m)

Front Location (m)Plunging Point (m)

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 5 10 15 20 25 30

Main Channel Normal Flow (m3/s)

Fron

t Slop

e

Page 68: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Comentarios Finales

� En la ultima decada se han logrado grandes avances en la hidrodinamica computacional con aplicaciones en la hidraulica ambiental fluvial, ambiental y la morfodinamicade rios.� Es necesario complementar la modelacion numerica con

experimentos de laboratorio y observaciones de campo parapoder calibrar, verificar y validar los resultados numericos.� La modelacion numerica no es una panacea sino una

herramienta mas a disposicion de la ingenieria ambiental y fluvial que se debe utilizar con cautela, sentido comun, y sabiendo cuales son sus alcances y limitaciones.

Page 69: Aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional Marcelo H

Gracias

Racine Avenue Pumping Station, Chicago Illinois