Hydraulic response and turbulence-model sensitivity of a circular culvert under discharge escalation: a CFD and HY-8 comparative study

Thi Noi Doan; Tong Anh Tuan; Quang-Thai Nguyen

doi:10.7409/rabdim.026.015

Zgłoszono: 2026-07-27
Zaakceptowano: 2026-09-29
Opublikowano: 2026-10-16

Tom 25 Nr 3 (2026)

Odpowiedź hydrauliczna i wrażliwość modeli turbulencji przy wzroście przepływu w przepuście kołowym: porównanie wyników uzyskanych metodami CFD i HY-8

Thi Noi Doan

, Tong Anh Tuan

, Quang-Thai Nguyen

Dział: Artykuły

https://doi.org/10.7409/rabdim.026.015

Abstrakt

W artykule przedstawiono kompleksową analizę zachowania hydraulicznego przepustu o przekroju kołowym w warunkach zwiększonego przepływu, z wykorzystaniem trójwymiarowego modelowania metodą obliczeniową mechaniki płynów (CFD) porównując uzyskane wyniki z rezultatami standardowej metody HY-8. Przepływy badano przy trzech różnych natężeniach: przepływ docelowy Q₁ = 6,70 m³/s oraz przepływy zwiększone: Q₂ = 10,05 m³/s = 1,5Q₁ i Q₃ = 13,40 m³/s = 2,0Q₁. Następnie sprawdzono wrażliwość modeli turbulencji (SST k–ω, Realizable k–ε spełniającego warunki realizowalności, RNG k–ε) w celu określenia dokładności oszacowania prędkości wypływu przez model. Wyniki wskazują, że prędkość wypływu rośnie proporcjonalnie wraz ze wzrostem natężenia przepływu, osiągając w przypadku największego przepływu wartości 7,42-7,51 m/s, przy czym różnice między wynikami poszczególnych modeli turbulencji nie przekraczają ok. 1,5%. Głębokość wody przed wlotem wzrosła z 1,94 m dla Q₁ do 3,68 m dla Q₃. Wartości głębokości przed wlotem uzyskane metodami CFD oraz HY-8 były bardzo zbliżone we wszystkich trzech przypadkach: odpowiednio 1,94 m i 1,93 m dla Q₁, 2,68 m i 2,67 m dla Q₂ oraz 3,68 m i 3,69 m dla Q₃, co odpowiada względnym różnicom między metodami CFD i HY-8 na poziomie odpowiednio +0,52%, +0,37% i −0,27%. Metodę HY-8 zastosowano zatem jako metodę porównawczą dla celów projektowych, a nie jako niezależne narzędzie do walidacji lokalnych pól przepływu wyznaczonych metodą CFD. Analiza bezwymiarowa, uwzględniająca stosunek HW/D, średnicowy parametr skalowania prędkości V / √gD oraz liczbę Reynoldsa, wskazuje, że zwiększenie przepustowości powoduje przede wszystkim wzrost poziomu wody przed wlotem. Choć przepustowość hydrauliczna pozostaje wystarczająca, podwyższone prędkości wypływu znacząco zwiększają ryzyko rozmycia dna poniżej wylotu. Uzyskane wyniki stanowią cenną pomoc dla oceny bezpieczeństwa hydraulicznego oraz projektowania zabezpieczeń wylotu w warunkach zwiększonego przepływu.

Słowa kluczowe:

analiza porównawcza HY-8, CFD, niezależność od siatki obliczeniowej, przepływ ekstremalny, przepływ sterowany wlotem, przepust kołowy

Pobierz pliki

PDF

Zasady cytowania

Doan, T. N., Tuan, T. A., & Nguyen, Q.-T. (2026). Odpowiedź hydrauliczna i wrażliwość modeli turbulencji przy wzroście przepływu w przepuście kołowym: porównanie wyników uzyskanych metodami CFD i HY-8. Roads and Bridges – Drogi I Mosty, 25(3), 225–246. https://doi.org/10.7409/rabdim.026.015

Cited by / Share

Licencja

Utwór dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe.

Bibliografia

Wilhere G.F., Atha J.B., Quinn T., Tohver I., Helbrecht L.: Incorporating climate change into culvert design in Washington State, USA. Ecological Engineering, 104, Part A, 2017, 67-79, DOI: 10.1016/j.ecoleng.2017.04.009 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2017.04.009
Google Scholar

Zeyrek O., Wang F., Xu J.: Behaviors of highway culverts subjected to flooding: A comprehensive review. Water, 17, 20, 2025, Article ID: 2937, DOI: 10.3390/w17202937 DOI: https://doi.org/10.3390/w17202937
Google Scholar

de Jager L., van Dijk M.: Improvements to the hydraulic performance of culverts under inlet control conditions by optimisation of inlet characteristics. Water, 16, 11, 2024, Article ID: 1569, DOI: 10.3390/w16111569 DOI: https://doi.org/10.3390/w16111569
Google Scholar

Federal Highway Administration: Hydraulic design of improved inlets for culverts. Hydraulic Engineering Circular No. 13, FHWA-EPD-86-109, U.S. Department of Transportation, Washington, DC, 1972
Google Scholar

Federal Highway Administration: HY-8 Culvert hydraulic analysis program: User’s manual. U.S. Department of Transportation, Washington, DC, 2021
Google Scholar

Schall J.D., Thompson P.L., Zerges S.M., Kilgore R.T., Morris J.L.: Hydraulic design of highway culverts. 3rd edition, Hydraulic Design Series No. 5, FHWA-HIF-12-026, Federal Highway Administration, Washington, DC, 2012
Google Scholar

Szpakowski W.: Outlet flow velocity in circular culvert. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 61, 3-4, 2014, 193-203, DOI: 10.1515/heem-2015-0013 DOI: https://doi.org/10.1515/heem-2015-0013
Google Scholar

Charbeneau R.J., Henderson A.D., Sherman L.C.: Hydraulic performance curves for highway culverts. Journal of Hydraulic Engineering, 132, 5, 2006, 474-481, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:5(474) DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:5(474)
Google Scholar

Battiston C.C., Bombardelli F.A., Camaño Schettini E.B., Marques M.G.: Mean flow and turbulence statistics through a sluice gate in a navigation lock system: A numerical study. European Journal of Mechanics – B/Fluids, 84, 3, 2020, 155-163, DOI: 10.1016/j.euromechflu.2020.06.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2020.06.003
Google Scholar

Cantero-Chinchilla F.N., Belaud G., Castro-Orgaz O., Mateos L.: Steady flow through gated circular culverts: Hydraulic operation and experiments. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 149, 7, 2023, Article ID: 04023012, DOI: 10.1061/JIDEDH.IRENG-9974 DOI: https://doi.org/10.1061/JIDEDH.IRENG-9974
Google Scholar

Mostafazadeh-Fard S., Samani Z.: Dissipating culvert end design for erosion control using CFD platform FLOW-3D numerical simulation modeling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 14, 1, 2023, Article ID: 04022064, DOI: 10.1061/JPSEA2.PSENG-1373 DOI: https://doi.org/10.1061/JPSEA2.PSENG-1373
Google Scholar

Ahmed K.O., Majeed H.Q., Amini A., Shafaei H.: Scour prediction at culvert outlets using ANSYS Fluent: Influence of inlet blockage, flow rate, and sediment size. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 31, 3, 2025, 554-570, DOI: 10.1080/09715010.2025.2495789 DOI: https://doi.org/10.1080/09715010.2025.2495789
Google Scholar

Ahmed K.O., Kavianpour M.R., Amini A., Aminpour Y.: Physical modeling of the effect of shape, blockage, and flow variability on scour in culvert outlets. PLOS ONE, 19, 6, 2024, Article ID: e0306252, DOI: 10.1371/journal.pone.0306252 DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0306252
Google Scholar

Ahmed K.O., Kavianpour M.R., Amini A., Aminpour Y.: Numerical assessments of scour depth predictions downstream of box culverts under various flow and blockage conditions. Discover Applied Sciences, 7, 3, 2025, Article ID: 211, DOI: 10.1007/s42452-024-06391-2 DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-024-06391-2
Google Scholar

Fallowfield L., Motta D.: The permanent flood risk of culverts and the impact of increasing debris blockage. Journal of Flood Risk Management, 17, 4, 2024, Article ID: e13021, DOI: 10.1111/jfr3.13021 DOI: https://doi.org/10.1111/jfr3.13021
Google Scholar

Cho Y.J.: Optimal design of deep stormwater drainage tunnels to address urban flooding in Korea. Scientific Reports, 14, 1, 2024, Article ID: 24896, DOI: 10.1038/s41598-024-76471-1 DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-76471-1
Google Scholar

Ansari S.A., Kothyari U.C., Ranga Raju K.G.: Influence of cohesion on scour under submerged circular vertical jets. Journal of Hydraulic Engineering, 129, 12, 2003, 1014-1019, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:12(1014) DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:12(1014)
Google Scholar

Dey S.: End depth in circular channels. Journal of Hydraulic Engineering, 124, 8, 1998, 856-863, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:8(856) DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1998)124:8(856)
Google Scholar

Hirt C.W., Nichols B.D.: Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39, 1, 1981, 201-225, DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5 DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Google Scholar

Yakhot V., Smith L.M.: The renormalization group, the ε-expansion and derivation of turbulence models. Journal of Scientific Computing, 7, 1, 1992, 35-61, DOI: 10.1007/BF01060210 DOI: https://doi.org/10.1007/BF01060210
Google Scholar

Patel V.C., Rodi W., Scheuerer G.: Turbulence models for near-wall and low Reynolds number flows: A review. AIAA Journal, 23, 9, 1985, 1308-1319, DOI: 10.2514/3.9086 DOI: https://doi.org/10.2514/3.9086
Google Scholar

Hirsch C.: Numerical computation of internal and external flows: The fundamentals of computational fluid dynamics. 2nd edition, Elsevier, Oxford, 2007
Google Scholar

Biswas R., Strawn R.C.: Tetrahedral and hexahedral mesh adaptation for CFD problems. Applied Numerical Mathematics, 26, 1-2, 1998, 135-151, DOI: 10.1016/S0168-9274(97)00092-5 DOI: https://doi.org/10.1016/S0168-9274(97)00092-5
Google Scholar

Maryami E., Mohammadpour R., Beirami M.K., Torabi Haghighi A.: Prediction of hydraulic jump characteristics in a closed conduit using numerical and analytical methods. Flow Measurement and Instrumentation, 82, 2021, Article ID: 102071, DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2021.102071 DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2021.102071
Google Scholar

Federal Highway Administration: Design of riprap revetment SI. Hydraulic Engineering Circular No. 11, FHWA-IF-00-022-1, U.S. Department of Transportation, Washington, DC, 2000
Google Scholar

ANSYS, Inc.: Ansys fluent theory guide, Release 2026 R1. ANSYS, Inc., Canonsburg, Pennsylvania, USA, 2026
Google Scholar

Roache P.J.: Verification and validation in computational science and engineering. Hermosa Publishers, Albuquerque, New Mexico, 1998
Google Scholar

ASME: Standard for verification and validation in computational fluid dynamics and heat transfer. ASME V&V 20-2009, American Society of Mechanical Engineers, New York, 2009
Google Scholar

Thi Noi Doan

dtnoi@utc.edu.vn
https://orcid.org/0009-0007-4624-0316

Afiliacja:

University of Transport and Communications, 3 Cau Giay St., 11528 Lang Ward, Hanoi Wietnam

Tong Anh Tuan

https://orcid.org/0009-0008-4185-4594

Afiliacja:

University of Transport and Communications, 3 Cau Giay St., 11528 Lang Ward, Hanoi Wietnam

Quang-Thai Nguyen

https://orcid.org/0000-0001-9109-9509

Afiliacja:

Vietnam Academy of Science and Technology, Institute of Mechanics, 264 Doi Can St., 11119 Ngoc Ha Ward, Hanoi Wietnam

Odpowiedź hydrauliczna i wrażliwość modeli turbulencji przy wzroście przepływu w przepuście kołowym: porównanie wyników uzyskanych metodami CFD i HY-8

Abstrakt

Słowa kluczowe:

Pobrania

Thi Noi Doan

Tong Anh Tuan

Quang-Thai Nguyen