Solving spillway geometry for three-dimensional flow

Abstract

The Ogee profile is one of the most studied hydraulic relationships used in the design of spillways. The high discharge efficiency and nappe-shaped profile ensure an effective hydraulic system, if applied under the correct conditions. However, in a recent study, the existing Ogee profile relationship, formulated for two-dimensional flow conditions, proved to be insufficient for three-dimensional flow conditions. Data obtained from a detailed physical model study and extensive computational fluid dynamic simulations allowed for a qualitative and quantitative comparison of the bottom nappe of the fluid profile across an aerated sharp-crested weir. The study concluded in the derivation of the VC-Ogee relationship that estimates the Ogee profile under three-dimensional flow conditions. Four parameters A, B, C and D, were incorporated to accommodate the effect of three-dimensional flow. A set of VC-Ogee design curves for these parameters, for an asymmetrical approach channel with side contraction of the spillway, is presented in this paper. Further design curves to accommodate symmetrical, contracted and uncontracted approach channels as well as combinations of these conditions, will be made available in future. RÉSUMÉ: Le profil Ogee est l’une des relations hydrauliques les plus étudiées dans la conception des déversoirs. La haute efficacité d’écoulement et le profil en forme de nappe assurent un système hydraulique efficace s’il est appliqué dans les conditions appropriées. Cependant, dans une étude récente, la relation de profil Ogee existante, formulée pour des conditions d’écoulement bidimensionnelles, s’est avérée insuffisante pour des conditions d’écoulement tridimensionnelles. Les données obtenues à partir d’une étude de modèle physique détaillée et de simulations informatiques exhaustives de la dynamique des fluides ont permis une comparaison qualitative et quantitative de la nappe inférieure du profil de fluide à travers un déversoir élevé à crête pointue aéré. Ces études ont permis de dériver la relation « Ogee VC » qui comprend des déversoirs droits et courbes, des canaux d’approche symétriques et asymétriques, ainsi que des déversoirs contractés et non contractés. Quatre paramètres A, B, C et D ont été incorporés pour tenir compte de l’effet du débit tridimensionnel. Cet article présente un ensemble de courbes de conception VC-Ogee pour ces paramètres, pour un canal d'approche asymétrique avec contraction latérale du déversoir. D'autres courbes de conception permettant d'adapter des canaux d'approche symétriques, contractés et non contractés, ainsi que des combinaisons de ces conditions, seront disponibles à l'avenir.