An experimental and numerical study on hydraulic characteristics and theoretical equations of circular weirs

Due to streamline curvature, non-hydrostatic pressure distribution, and nappe adherence on the weir wall, the discharge coefficient of weirs is less than 1.0. However, in cylindrical weirs, the discharge coefficient extends to values more than 1.0 due to the different pressures and velocity distributions. In this study, pressure and velocity distributions of different circular weirs are simulated by computational fluid dynamics (CFD) and Fluent software and compared with experimental results. The numerical results of CFD show a significant correlation with measured data from manometers and a laser Doppler velocimeter (LDV). Experimental observations show that the critical flow depth forms before and after the crest for greater and smaller discharge coefficients, respectively. Nappe separation depends on overflow discharge and will shift to the downstream face of the cylinder in high discharges. To recognize the location of critical flow and nappe separation, analytical formulations are proposed depending on weir size and inflow conditions. The results show good agreement between the analytical predictions and experimental observations. Key words: laboratory model, CFD, critical depth location. En raison de la courbe dans la ligne d'ecoulement, de la distribution non hydrostatique de la pression et de l'adherence de la lame deversante sur le mur du deversoir, le coefficient de debit des deversoirs est inferieur a 1,0. Toutefois, dans les deversoirs cylindriques, le coefficient de debit atteint des valeurs superieures a 1,0 en raison des pressions et des repartitions des vitesses differentes. La presente etude simule les repartitions des pressions et des vitesses de differents deversoirs circulaires en utilisant Fluent, un logiciel de dynamique numerique des fluides, et les compare aux resultats experimentaux. Les resultats numeriques de la dynamique numerique des fluides indiquent une correlation importante avec les donnees mesurees a partir de manometres et d'un velocimetre Doppler a laser. Les constatations des experiences montrent que la plus profondeur critique d'ecoulement se forme respectivement avant et apres la crete pour des profondeurs critique respectivement superieurs et inferieurs. La separation de la lame d'eau depend de la surverse et se deplacera vers la face aval du cylindre lors de grands debits. Afin de reconnaitre l'emplacement de l'ecoulement critique et de la separation de la lame d' eau, des formules analytiques sont proposees selon la dimension du deversoir et les conditions du debit entrant. Les resultats montrent une bonne correlation entre les previsions analytiques et les observations experimentales. Mots-cles: modele de laboratoire, dynamique numerique des fluides, emplacement de la profondeur critique. [Traduit par la Redaction]
1. Introduction Circular-crested or cylindrical weirs are one of the oldest hydraulic structures for discharge measurement. The advantages of the circular weirs include their stable overflow pattern compared to sharp-crested [...]