WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W … · 2012-04-20 · Uniwersytet Rolniczy w Krakowie,...
-
Upload
nguyenduong -
Category
Documents
-
view
215 -
download
1
Transcript of WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W … · 2012-04-20 · Uniwersytet Rolniczy w Krakowie,...
Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji
Leszek KsiążekLeszek Książek
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki
WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZEPRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZE
Kraków, 29-31 marzec 2012r.Kraków, 29-31 marzec 2012r.
Plan prezentacji:
1.Wprowadzenie2. Ruch turbulentny wody3. Warunki przepływu wody w przepławkach
bliskich naturzea) pomiary laboratoryjneb) modelowanie numeryczne
4. Podsumowanie
Badania modelowe na modelu fizycznym warunków hydraulicznych przepływu wody przez przepławkę w formie obejścia oraz z funkcją kanału tarłowego wykonano dla dna z różnymi wielkościami rumowiska oraz z elementami konstrukcyjnymi.
Modelowanie w sposób numeryczny fizycznego zjawiska przepływu wody przeprowadzono dla wariantów obliczeniowych obejmujących przypadek strumienia bez elementów oraz z elementami różnicującymi przepływ wody.
1. Wprowadzenie
W pracy przedstawiono wyniki pomiarów laboratoryjnych oraz modelowania numerycznego warunków przepływu wody w przepławkach bliskich naturze wykonanych w formie kanału naśladującego naturalny strumień oraz z elementami habitatowymi.
Przepływ wody w przepławkach
Warunki hydrauliczne przepływu wody charakteryzujemy:- wartością przepływu [m3s-1],- napełnieniem [m],- prędkością przepływu (przestrzenny rozkład prędkości) [ms-1],- naprężeniami [Nm-2],- jednostkową energią wody [Wm-3].
Przepływ wody:- warstwowy,- przelewowy
2. Ruch turbulentny wody
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 10 20 30 40 50 60 70
z
[cm
]
u (z) [cm/ s]
k
zR2
źródło K. Koll
Profil prędkości
Lepkość cieczy powoduje powstawanie wirów, które powodują zmienność prędkości
Charakterystyka ruchu wody: prędkość chwilowa v [ms-1],- prędkość średnia vśr [ms-1],- pulsacje prędkości chwilowej [ms-1],- miara turbulencji [ms-1],- naprężenia turbulentne [Nm-1],
2. Ruch turbulentny wody
Pomiar prędkości chwilowychczas próbkowania 0,05 s (20 Hz)
0,5 cm nad dnem szorstkim
14 cm nad dnem szorstkim
Filtrowanie danychFilter P-STD [Goring & Nikora 2002], siła sygnału >5 dB
97,6% poprawne
14 cm nad dnem szorstkim
Rozkład normalny
62,1
Badania warunków hydraulicznych przepływu wody przez przepławkę w formie obejścia oraz z funkcją kanału tarłowego:
- cztery wielkości rumowiska,- sześć spadków dna,- trzy przepływy,- elementy konstrukcyjne w celu wytworzenia basenów spoczyn-kowych o różnych rozstawach i wymiarach.
Spadki dna koryta :- spadek ujemny - 0,0240, 0,0147,- brak spadku - 0,0000,- spadek dodatni - 0,0083, 0,0167, 0,0256.
dm=0.0096 m (dmax=0,02 m)
d=0.02-0.04 m
d=0.04-0.06 m
d=0.06-0.08 m, dno profilowane, dno profilowane z kaskadami
Wartości: liczba Reynolds'a 3.3×104 < Re < 7.6×104 – ruch turbulentnyliczba Froude'a 0.09 < Fr < 0.92 – ruch spokojny
[Ead i in. 2004, zmodyfikowane]
Warstwowy przepływ wody, strefa przejściowa, przepływ przelewowy
Wykres naprężeń turbulentnych dla
pionu 5,23 i5; Q=165[m3∙h-1]
0,000,100,200,300,400,50
0,600,700,800,901,00
0 10 20 30 40 50 60
turbulencja [N∙m-2]
z/h
[-]
txy txz
Naprężenia turbulentne
Naprężenia turbulentne [Nm-2]
Spadek dna I=0.0083, przepływ Q=45,8 ls-1, pion 5,23 m
CCHE2D – model dwuwymiarowy, z uśrednioną prędkością; przepływu ustalone i nieustalone; transport rumowiska wleczonego i unoszonego; zmiana konfiguracji dna
Model matematyczny obejmuje- równanie ciągłości,- równanie zachowania pędu,
3b. Warunki przepływu wody w przepławkach
Modelowanie numeryczne
Progi w wariantach C1, C2 i C3 co 60, 40 i 20 m i wysokości 0.3, 0.6 i 0.9 m
Elementy habitatowe w wariantach B1, B2 i B3 co 60, 40 i 20 m i głębokości 0.3, 0.6 i 0.9 m
Wariant A
Modelowanie numeryczne przeprowadzono dla różnych wariantów obliczeniowych obejmujących przypadek strumienia bez elementów oraz z elementami różnicującymi przepływ wody: progi i elementy habitatowe o różnej w różnej rozstawie, wysokości i głębokości. Symulacje komputerowe obejmowały różne spadki dna kanału oraz wartości przepływu.
Prędkości dla spadku dna koryta i = 2,5 ‰, A – bystrze, B – z elementami habitatowymi, C – z progami
Warunki hydrauliczne przepływu wody przez przepławkę z elementamioraz bez elementów różnicujących przepływ
Warunki hydrauliczne przepływu wody na długości przepławki bliskiej naturze
Przepławki z progami: w basenach prędkość przepływu wody jest mniejsza, wartości prędkości na przelewach wzrastają do wartości uniemożliwiających pokonanie progów przez ryby.
Wat
er
dept
h h
m
1. Na podstawie badań modelowych na modelu fizycznym uzyskano przestrzenne rozkłady prędkości przepływu wody, pulsacji prędkości, naprężeń dla różnych typów siedlisk występujących w naturalnych strumieniach, od przepływu spokojnego do przepływu szybkiego oraz w strefie turbulencji przy różnej szorstkości dna.
2. Sposób w jaki następuje przepływ wody przez baseny jest przyczyną zróżnicowania profilów prędkości w obrębie basenów i zakłócenia rozkładu logarytmicznego profili prędkości.
3. W przepływie warstwowym (streaming flow) naprężenia turbulentne osiągają maksymalną wartość w strefie rozdziału przepływu. Taki rodzaj przepływu jest mniej korzystny od przepływu przelewowego (plunging flow).
4. Modelowanie numeryczne przepławek bliskich naturze przeprowadzono dla rzeczywistych warunków przepływu wody:- uzyskano przestrzenne rozkłady wartości prędkości średnich, napełnień, naprężeń stycznych, układu zwierciadła wody, - wektory prędkości wskazują lokalizacje powstawania wirów i miejsc zastoiskowych,
5. Dla rozpatrywanych wariantów konstrukcyjnych przepławek bliskich naturze korzystniejsze warunki hydrauliczne na długości występują w przepławkach z elementami habitatowymi.
4. Podsumowanie