Computational fluid dynamics modelling of three-dimensional processes on natural river floodplains

Abstract

Results are presented from numerical simulations of overbank flows on a natural river floodplain. The model used here solves the three-dimensional Navier-Stokes equations with an RNG k-ϵ turbulence closure. Channel roughness is treated using a wall function approach while a drag-law is used to represent the effects of floodplain vegetation. The model is applied in situations with complex boundary conditions that are specified using a two-dimensional depth-averaged hydraulic model. Simulation results are compared with field measurements of three-dimensional flow velocity and turbulence obtained using an array of Acoustic Doppler Velocimeters (ADV). The model is shown to reproduce the overall spatial patterns in the flow data and the shape of vertical profiles of velocity and turbulent kinetic energy. Differences between model results and ADV measurements reflect small-scale local variability in field conditions and systematic variations in surface roughness. Results illustrate that natural floodplains are characterized by complex, topographically driven and stage-dependent flow structures.

Résumé

On présente les résultats de simulations numériques d’écoulements avec débordement du fleuve dans un champ d’inondation naturel. Le modèle présenté résout les équations tridimensionnelles de Navier-Stokes avec un modèle RNG k-ϵ de turbulence pour la fermeture. La rugosité du canal est traitée en utilisant une approche par une fonction de paroi tandis qu’une loi de traînée est employée pour représenter les effets de la végétation de la plaine d’inondation. Les conditions aux limites complexes ont été déterminées par un modèle hydraulique bidimensionnel défini en moyenne sur la profondeur. Les résultats de simulation sont comparés aux mesures in situ de la vitesse tridimensionnelle et de la turbulence d’écoulement obtenues en utilisant une rangée de Vélocimètres Doppler acoustique (ADV). On montre que le modèle reproduit la forme générale des caractéristiques d’écoulement et des profils verticaux de vitesse et d’énergie cinétique turbulente. Les différences entre les résultats du modèle et les mesures d’ADV reflètent la variabilité locale de petite dimension in situ et les variations systématiques de la rugosité de surface. Les résultats montrent que des champs d’inondation naturels sont caractérisés par les structures complexes, dépendant de la topographie et de niveau d’écoulement.

Keywords:

• Computational fluid dynamics
• three-dimensional
• overbank flow
• natural floodplain