Numerical simulations of open-channel flows based on volume-of-fluid method

This thesis develops, calibrates, and validates a practical CFD workflow for free-surface open-channel flows using the Volume of Fluid formulation in Ansys Fluent. A first stage benchmarks prismatic rectangular channels across supercritical, subcritical, and transcritical regimes with hydraulic jump. The study systematizes boundary-condition choices and shows that enforcement must be tailored to regime. Separated outlets, with distinct water and air exits, yield the most stable convergence and the cleanest free-surface evolution, outperforming integrated outlets. Regime-specific outlet combinations are identified, and practical recommendations are distilled for robust inlet and outlet settings. The sensitivity of extracted free-surface elevation to the VOF threshold is quantified, and a channel-specific calibration links bed roughness height to the wall-function roughness constant over the analyzed range. Building on these insights, the laboratory dataset of Ojha and Mazumder is modeled for a hydraulically rough plane bed and for trains of two-dimensional dunes. A log-law inlet reconstructed from the first ADV velocity profile emerges as the most influential modeling choice, delivering strong agreement for streamwise mean velocity even in truncated domains. Regarding turbulence closure, the Reynolds Stress Model provides a modest but consistent advantage over the standard k-epsilon model in flows where anisotropy matters. Overall, the workflow reproduces mean velocity and Reynolds-stress fields with satisfactory fidelity and consolidates regime-aware guidance on outlet selection, inlet specification, and near-wall treatment for engineering-scale simulations of open-channel flow. The result is a reproducible path from case definition to validated prediction that reduces trial-and-error and improves reliability.

La tesi sviluppa, calibra e valida un workflow CFD pratico per i flussi a superficie libera in canali aperti mediante la formulazione Volume of Fluid in Ansys Fluent. Una prima fase effettua benchmark in canali prismatici rettangolari su regimi supercritici, subcritici e transcritici con risalto idraulico. Lo studio sistematizza la scelta delle condizioni al contorno e mostra che la loro applicazione deve essere adattata al regime. Le uscite separate, con sbocchi distinti per acqua e aria, forniscono la convergenza più stabile e la più regolare evoluzione della superficie libera, superando l’uscita integrata. Sono identificate combinazioni di uscita specifiche per regime e vengono tratte raccomandazioni operative per impostazioni robuste di ingressi e uscite. Si quantifica la sensibilità dell’estrazione della superficie libera alla soglia VOF e si propone una calibrazione che collega l’altezza di scabrezza del fondo alla costante di scabrezza delle wall-function nell’intervallo analizzato. Su tali basi si modella il dataset di laboratorio di Ojha e Mazumder per fondo piano idraulicamente scabro e per sequenze di dune bidimensionali. Un ingresso logaritmico ricostruito dal primo profilo ADV risulta la scelta più influente, con ottimo accordo del campo di velocità anche in domini troncati. In termini di chiusura turbolenta, il Reynolds Stress Model offre un vantaggio modesto ma costante rispetto al modello k-epsilon quando l’anisotropia è rilevante. Nel complesso, il workflow riproduce velocità medie e tensori di Reynolds con buona coerenza e fornisce linee guida consapevoli del regime per uscite, ingressi e trattamento vicino alle pareti, rendendo la simulazione più affidabile e riproducibile.