Froude Similitude and Scale Effects Affecting Air Entrainment in Hydraulic Jumps

A hydraulic jump is the rapid transition from a high-velocity to a low-velocity open channel flow. It is characterized by strong turbulence and air bubble entrainment. Detailed air-water flow properties were measured in hydraulic jumps with partially-developed inflow conditions. The present data set together with the earlier data of Chanson (2006) yielded similar experiments conducted with identical inflow Froude numbers but Reynolds numbers between 24,000 and 98,000. The comparative results showed some drastic scale effects in the smaller hydraulic jumps in terms of void fraction and bubble count rate distributions. The present comparative analysis demonstrated quantitatively that dynamic similarity of two-phase flows in hydraulic jumps cannot be achieved with a Froude similitude. In experimental facilities with Reynolds numbers up to 105, some viscous scale effects were observed in terms of the rate of entrained air and air-water interfacial area

Free Surface, Bubbly flow and Turbulence Measurements in Hydraulic Jumps

The hydraulic jump is the rapid transition from a high-velocity (supercritical regime) to a low-velocity (subcritical regime) open channel flow. It is characterized by the interaction of some strong turbulence with a free surface leading to air entrainment (bubbles, droplets, splashes) with macro-scale vortices, kinetic energy dissipation and a bubbly two-phase flow structure. The aim of this report is to present new free surface and air-water flow measurements in hydraulic jumps with partially-developed inflow conditions for a wide range of inflow Froude numbers (Fr = 3.1 to 8.5, Re= 24,000 to 62,000). New experiments were conducted in a large-size facility using ultrasonic displacement meters to describe the free surface features and a double-tip conductivity probe to study the two-phase flow properties. The mean and turbulent profiles of the air-water interface were documented. The data were processed in terms of some spectral analysis of the free surface fluctuations and compared with the frequencies of the horizontal oscillations of the toe. The free-surface measurements highlighted large fluctuations in the roller. A peak in free-surface fluctuation intensity was found in the first half of the roller reflecting the dynamic unsteady structure of the free surface in this flow region. This was followed by a gradual decrease in turbulent intensity. The normalized maximum free-surface fluctuation was found to be proportional to the inflow Froude number (Fr). Spectral analyses of the free-surface fluctuations showed dominant frequencies ranging from 0.5 to 4 Hz with decreasing frequencies when increasing Froude number. While the dominant frequencies were nearly constant in the roller, lower values were observed downstream of the roller implying that faster vortical structures developed in the roller itself. The air-water flow properties were investigated in terms of the distributions of void fraction, bubble count rate, bubble diameter, interfacial velocities, turbulent velocity fluctuations and turbulence time scales. The void fraction measurements (C) showed the presence of an advective diffusion shear layer where the air concentration vertical distributions were successfully compared with an analytical solution of the advective diffusion equation for air bubbles and compared well with earlier studies. The vertical distributions of bubble count rate (F) showed a marked peak (Fmax), with increased count rates with increasing Froude number. In the air-water shear layer, the maximum bubble count rate (Fmax) decayed with increasing distance from the jump toe as previously reported. Detailed results were presented concerning the mean bubble chord length, interfacial velocity and turbulent intensity. The vertical distributions of interfacial velocity followed closely a wall jet flow pattern. The turbulence intensity distributions exhibited large values in the jump roller with amplitude up to 400% for the largest Froude number. However the turbulence levels decreased with increasing distance from the jump toe. The probability density functions of bubble chord time exhibited a wide spectrum with a predominance of small bubble chord time for largest Froude numbers. The turbulence time scale data showed an increase with the relative elevation above the bed, as well as some decrease with increasing distance from the toe. Far downstream, nearly homogeneous profiles of turbulent time scales were observed with the smallest time scales. Simultaneous measurements of free surface and bubbly flow properties suggested some possible correlation between free surface and bubble fluctuations in terms of frequency. Some cross-correlation analysis showed large fluctuations with negative and positive correlations. Some spectral analysis of the cross-correlation function indicated predominant frequencies between 1.2 to 2.3 Hz depending on the distance to the toe. These were in agreement with free-surface fluctuations. A comparative analysis of Froude similar experiments was conducted with Reynolds numbers ranging from 25,000 to 98,000, and inflow depths of 0.012, 0.018 and 0.024 m. The results implied that the experimental data obtained with inflow Reynolds numbers up to 98,000 cannot be extrapolated to large-size prototype structures without significant scale effects in terms of void fraction, bubble count rate and bubble chord time distributions. Te result has important implications in terms of civil, environmental and sanitary engineering structures where the prototype Reynolds numbers range typically from 1E+6 to over 1E+8

Free-surface fluctuations in hydraulic jumps: Experimental observations

A hydraulic jump is the rapid and sudden transition from a high-velocity supercritical open channel flow to a subcritical flow. It is characterised by the dynamic interactions of the large-scale eddies with the free-surface. New series of experimental measurements were conducted in hydraulic jumps with Froude numbers between 3.1 and 8.5 to investigate these interactions. The dynamic free surface measurements were performed with a non-intrusive technique while the two-phase flow properties were recorded with a phase-detection probe. The shape of the mean free surface profile was well defined and the turbulent fluctuation profiles highlighted a distinct peak of turbulent intensity in the first part of the jump roller, with free-surface fluctuation levels increasing with increasing Froude number. The dominant free-surface fluctuation frequencies were typically between 1 and 4 Hz. A comparison between the acoustic sensor signals and conductivity probe data suggested that the air-water "free-surface" detected by the acoustic sensor corresponded to about the boundary between the turbulent shear layer and the upper free-surface layer. Simultaneous measurements of free surface and bubbly flow fluctuations for Fr = 5.1 indicated that the frequency ranges of both sensors were similar (F < 5 Hz) whatever the position downstream of the toe. The present results highlighted that the dynamic free-surface measurements can be conducted successfully using acoustic displacement meters, and the time-averaged depth measurements was a physical measure of the free-surface location in hydraulic jumps

Influence des structures tourbillonnaires et de la turbulence sur la dispersion des nanoparticules de carbone

L'amélioration de la qualité de l'air est devenue un enjeu majeur notamment en termes de santé publique et d'environnement. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), la pollution de l'air était responsable de décès prématurés de 7 millions de personnes par an à travers le monde (rapport OMS 2013). Ceci est lié principalement à l'aggravation des allergies de nombreuses maladies cardiaques, pulmonaires ou encore respiratoires. Parmi les différentes sources de polluants gazeux et particulaires, le transport automobile en est le principal contributeur en zone urbaine et périurbaine. Roumegas et Saddier (2016) indiquent qu'en France le secteur routier est responsable de l'émission des NOx, des PM10 et des PM2.5 à hauteur de 54%, 16% et 19%, respectivement. Afin de limiter l'exposition à ces polluants en particulier les particules ultrafines, il est nécessaire de comprendre leur dynamique et leur interaction avec l'écoulement afin de mieux contrôler leur dispersion depuis l'émission à l'échappement. L'objectif de ce papier est de comprendre les effets des structures tourbillonnaires et de la turbulence sur la dispersion des nanoparticules dans le sillage d'un corps épais représentant un véhicule. Dans cette étude, le choix du corps s'est porté sur la forme la plus simple qu'est le cylindre circulaire (diamètre d=2,5cm), dont l'écoulement de sillage est connu. L'étude se focalise sur la simulation 2D de l'écoulement avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien des particules. Les statistiques moyennes de la turbulence sont résolues à l'aide du modèle RSM (Reynolds Stress Model) associé à un traitement proche paroi type Enhanced Wall Treatment (EWT). Ce choix repose sur une étude préliminaire comparative, avec la littérature existante, concernant, en particulier, deux paramètres caractéristiques de l'écoulement monophasique du sillage d'un cylindre, à savoir, l'angle de décollement et la longueur de recirculation. Concernant les paramètres de simulation, la vitesse d'entrée est U¥=5,56m/s. Le nombre de Reynolds associé est Re==9300 avec n la viscosité cinématique du fluide. On désigne par x la direction de l'écoulement (horizontale) et par y la direction verticale, l'origine du référentiel se trouvant au centre du cylindre. L'injecteur simulant le pot d'échappement est placé en dessous du cylindre à une position (x/d=0, y/d=- 0.62). 1000 nanoparticules de carbone de diamètre 10nm sont injectées à chaque pas de temps, qui est de 10-4s, avec un débit de 6,2510-11kg/s. Ce débit a été calculé en tenant compte de la norme EURO 6 concernant limitation des émissions des particules. Pour évaluer les influences des structures tourbillonnaires sur la dispersion, nous avons fait tourner le modèle avec et sans la présence du cylindre. Alors que les effets de la turbulence sont évalués à travers l'activation ou non du modèle d'interaction particules-turbulence (EIM). Des profils verticaux (selon la direction y) de concentration adimensionnelle en nombre de particules par maille sont ensuite obtenus pour différentes distances x à l'aval du cylindre. Les résultats de l'étude montrent que les nanoparticules tendent à être capturées par les structures tourbillonnaires qui se forment dans le sillage du cylindre ce qui entraine un élargissement transversal du champ de dispersion des nanoparticules. Cette dispersion est quasi symétrique par rapport à la ligne médiane (y=0m) pour des distances supérieures à 5 fois le diamètre d du cylindre. Par contre, la dispersion transversale est limitée sans la prise en compte de la dispersion turbulente au travers de l'activation du modèle (EIM). Ces résultats montrent l'influence des structures tourbillonnaires turbulentes dans la capture et le transport de ces nanoparticules. A cet effet, leur dynamique de dispersion est fortement liée à la structure des écoulements de sillage des obstacles/véhicules

Etude de l'influence d'une onde sur les échelles de turbulence : Application à la houle

In order to predict sediment movements in coastal environments, interaction between particles and turbulence must be better understood. Although previous studies have shown the importance of turbulence length scales on sediment transport for current flows, few measurements have been performed on wave/current interaction flows. So, the purpose of this thesis is to improve knowledge on wave action on these characteristic length scales which strongly affect particles path. Firstly, using LDV, we have studied turbulence length scales produced downstream of a grid in the context of a free surface current flow. Then, we have superimposed regular waves to this current. Using a new correlation technique, wave action on turbulence scales has been described. Our results particularly show a modulation of turbulence length scales by swell. We demonstrate that time dependance of turbulence properties must be taken into account to study sediment transport in coastal environments.Dans le but de prédire les mouvements sédimentaires en environnements côtiers, l'interaction entre les particules et la turbulence doit être mieux comprise. Bien que des études précédentes aient démontré l'importance des échelles de turbulence sur le transport sédimentaire pour les écoulements de type "courant", il n'existe que très peu de travaux sur les écoulements de houle et courant superposés. Le but de cette thèse, menée d'un point de vue expérimental en canal à houle et/ou courant, est donc d'apporter de nouvelles informations permettant de mieux caractériser l'action de la houle sur les échelles de turbulence, lesquelles influencent les mouvements particulaires. Pour cela, nous avons, dans un premier temps, étudié par Vélocimétrie Laser les échelles de turbulence produites à l'aval d'une grille dans un écoulement à surface libre type "courant continu". Dans la seconde partie de nos expériences, nous avons superposé une houle monochromatique à ce courant. A l'aide d'une nouvelle technique de corrélation, l'action de la houle sur les échelles de turbulence a pu être étudiée. Nos résultats mettent principalement en valeur une modulation de la turbulence par la houle que nous avons pu caractériser pour différentes périodes et amplitudes de houle. La principale conclusion de ce travail est que, pour traiter des problèmes de transport sédimentaire en milieu côtier ou estuarien, une variation temporelle de la taille des échelles de turbulence doit être prise en compte

IDDES Evaluation of Oscillating Hydraulic Jumps

This paper presents the results of three-dimensional, unsteady, Improved Delayed Detached Eddy Simulations of an oscillating and a stable hydraulic jump at Froude numbers of 3.8 and 8.5, respectively. The different types of oscillations characterised in a hydraulic jump are analysed by evaluating the instantaneous flow field. The instability caused by the flapping wall-jet type flow in an oscillating jump is distinct compared to the jump-toe fluctuations caused by the spanwise vortices in the shear layer of a stable jump. These flow features are accurately captured by the simulations and are presented with pertinent discussions. The near-bed vortical structures in an oscillating jump is extracted and analysed using the λ2 criterion

IDDES Evaluation of Oscillating Hydraulic Jumps

This paper presents the results of three-dimensional, unsteady, Improved Delayed Detached Eddy Simulations of an oscillating and a stable hydraulic jump at Froude numbers of 3.8 and 8.5, respectively. The different types of oscillations characterised in a hydraulic jump are analysed by evaluating the instantaneous flow field. The instability caused by the flapping wall-jet type flow in an oscillating jump is distinct compared to the jump-toe fluctuations caused by the spanwise vortices in the shear layer of a stable jump. These flow features are accurately captured by the simulations and are presented with pertinent discussions. The near-bed vortical structures in an oscillating jump is extracted and analysed using the λ2 criterion

Numerical study of particle dispersion emitted from train brakes in underground station

23rd International Transport and Air Pollution Conference, THESSALONIQUE, GRECE, 15-/05/2019 - 17/05/2019Air pollution has become a major issue since it is responsible for several adverse health effects. Among pollutants, exposure to particle matter (PM) including ultrafine (UFP) and nanoparticles has been defined as particularly hazardous. It was shown that PM exposure increases the risks of cardiovascular and respiratory diseases. Particles size is strongly linked to their dangerousness. The smaller they are, the higher their deposition rate and their ability to penetrate respiratory and blood system are. Former studies carried out in underground train stations across the world revealed that particle concentration rates can reach higher levels than outdoor.Thus, commuting is one of the main contribution to daily personal exposure to particulate pollutants This work aims to increase our knowledge about particle dynamics issued from trains brake discs in the context of an underground station. Then, the influence of the flow surrounding a train passing a station at low speed is investigated. To assess the particle dynamics for these three specific size ranges, three-dimensional numerical simulations are conducted using the commercial code Fluent 19.2. The Eulerian-Lagrangian approach is used allowing a fine tracking of particles in the flow around the rolling stock. The turbulent mean flow is computed using Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) through the RNG k-µ turbulence model. Particles dispersion from disks brakes to the station is computed with the Discrete Phase Model. Our methodology is described in the first part of this paper, followed by the results of flow computation. Train-induced flow influence on brake particle dispersion is discussed in the third section. This paper ends with our conclusions about regions of interested highlighted by the present study and perspective for further studies to assess properly particle dispersion in underground stations.La pollution de l'air est devenue un problème majeur puisqu'elle est responsable de plusieurs effets néfastes sur la santé. Parmi les polluants, l'exposition aux particules (PM), y compris les particules ultrafines (UFP) et les nanoparticules, a été définie comme particulièrement dangereuse. Il a été démontré que l'exposition aux particules augmente les risques de maladies cardiovasculaires et respiratoires. La taille des particules est fortement liée à leur dangerosité. Plus ils sont petits, plus leur taux de dépôt et leur capacité à pénétrer les voies respiratoires et le système sanguin sont élevés. Des études antérieures menées dans des gares souterraines à travers le monde ont révélé que les taux de concentration de particules peuvent atteindre des niveaux plus élevés qu'à l'extérieur, de sorte que les trajets domicile-travail constituent l'une des principales contributions à l'exposition quotidienne des personnes aux particules polluantes. Ensuite, l'influence de l'écoulement autour d'un train qui passe à faible vitesse devant une gare est étudiée. Pour évaluer la dynamique des particules pour ces trois plages de tailles spécifiques, des simulations numériques tridimensionnelles sont effectuées à l'aide du code commercial Fluent 19.2. L'approche eulérienne-lagrangienne permet un suivi fin des particules dans le flux autour du matériel roulant. Le débit moyen turbulent est calculé à l'aide du modèle de turbulence Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) à l'aide du modèle RNG k-µ. La dispersion des particules des freins à disque vers la station est calculée à l'aide du modèle de phase discrète. Notre méthodologie est décrite dans la première partie de ce document, suivie des résultats du calcul des flux. L'influence du débit induit par le train sur la dispersion des particules de freinage est abordée dans la troisième section. Le présent document se termine par nos conclusions sur les régions d'intérêt mises en évidence par la présente étude et les perspectives d'autres études visant à évaluer correctement la dispersion des particules dans les stations souterraines

Influence de la distance inter-véhiculaire sur la dispersion de polluants particulaires dans le sillage d’un véhicule simplifié à culot droit

National audienc