Modeling open channel flow at the confluence of lateral discharging pipes into receiving channels

Abstract

Storm runoff from major and minor systems is often discharged into water bodies through lateral conduits, mimicking natural river confluence phenomena. This forms a flowing body of water with new hydraulic conditions. The interaction between storm sewer outlets and receiving water bodies presents challenges in engineering design, particularly regarding flow conditions and elevation changes. Few storm sewer design manuals consider and regulate the confluence due to the lateral drainage pipe. Despite the availability of Computational Fluid Dynamics (CFD) software, which is accurate but varies in terms of time and computational power costs, practical solutions for engineers remain limited. The objective of this study is to determine the hydraulic behavior of storm sewer discharges in receiving water bodies flowing like open channels. By leveraging advancements in computer processing power, the research seeks to develop practical guidelines and design aids for engineers to assess storm sewer outlets’ hydraulics at junctions using more accessible 1D models. Confluence flow behavior was captured using the OpenFOAM CFD model. The results are presented as normalized contour maps for three junction angle configurations: 30, 60, and 90 degrees. These show how a change in the confluence angle affects the overall water levels within the channel by increasing and decreasing them in certain critical areas around the confluence point. Velocities and water levels downstream show change depending on the initial flow regime where subcritical flow increases the Froude number at lower angles and supercritical flow decreases the Froude number at higher angles. Given these findings, increases in channel wall shear stress and overtopping can occur depending on the confluence angle.

La escorrentía pluvial de los sistemas mayores y menores a menudo se descarga en los cuerpos de agua a través de conductos laterales, imitando los fenómenos naturales de confluencia de ríos. Esto, a su vez, conduce a la formación de un cuerpo de agua que fluye con nuevas condiciones hidráulicas. La interacción entre las salidas de alcantarillado pluvial y los cuerpos de agua receptores presenta desafíos en el diseño de ingeniería, particularmente en lo que respecta a las condiciones de flujo y los cambios de elevación; Pocos manuales de diseño de alcantarillado pluvial consideran y regulan la confluencia debida a la tubería de drenaje lateral. A pesar de la disponibilidad del software de dinámica de fluidos computacional (CFD), que es preciso, pero varía en el costo del tiempo y la potencia computacional, las soluciones prácticas para los ingenieros siguen siendo limitadas. El objetivo de este estudio es determinar el comportamiento hidráulico de descargas de alcantarillado pluvial en cuerpos de agua receptores fluyendo como canales abiertos. Al aprovechar los avances en la potencia de procesamiento de las computadoras, la investigación busca desarrollar pautas prácticas y ayudas de diseño para que los ingenieros evalúen el sistema hidráulico de las salidas de alcantarillado pluvial en los cruces utilizando modelos 1D más accesibles. El comportamiento del flujo de confluencia se pudo capturar con éxito con el modelo CFD OpenFOAM. Los resultados se presentan en forma de mapas de contorno normalizados para tres configuraciones de ángulo de unión: 30, 60 y 90 grados. Estos muestran cómo un cambio en el ángulo de confluencia afecta los niveles generales de agua dentro del canal al aumentarlos y disminuirlos en ciertas áreas clave alrededor del punto de confluencia. Las velocidades y los niveles de agua aguas abajo muestran cambios dependiendo del régimen de flujo inicial, donde el flujo subcrítico aumenta el número de Froude en ángulos más bajos y el flujo supercrítico disminuye el número de Froude en ángulos más altos. Teniendo en cuenta estos hallazgos, pueden producirse aumentos en el esfuerzo cortante de la pared del canal y en el rebase del canal dependiendo del ángulo de confluencia.