WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZE

Transkrypt

1 Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Leszek Książek WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZE Kraków, marzec 2012r.

2 Plan prezentacji: 1. Wprowadzenie 2. Ruch turbulentny wody 3. Warunki przepływu wody w przepławkach bliskich naturze a) pomiary laboratoryjne b) modelowanie numeryczne 4. Podsumowanie

3 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. 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.

4 Obejście w formie kanału, a) naśladującego naturalny strumień, b) z elementami habitatowymi

5 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

6 2. Ruch turbulentny wody 10 Profil prędkości z [cm] k 2 zr u (z) [cm / s] źródło K. Koll Lepkość cieczy powoduje powstawanie wirów, które powodują zmienność prędkości

7 2. Ruch turbulentny wody 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],

8 3a. Warunki przepływu wody w przepławkach Pomiary laboratoryjne

9 Pomiary laboratoryjne

10 Sonda MicroADV

11 Pomiar prędkości chwilowych czas próbkowania 0,05 s (20 Hz) 0,5 cm nad dnem szorstkim 14 cm nad dnem szorstkim

12 Filtrowanie danych Filter P-STD [Goring & Nikora 2002], siła sygnału >5 db 97,6% poprawne 14 cm nad dnem szorstkim Rozkład normalny 62,1

13 dm= m (dmax=0,02 m) Badania warunków hydraulicznych przepływu wody przez przepławkę w formie obejścia oraz z funkcją kanału tarłowego: d= m d= m d= m, dno profilowane, - cztery wielkości rumowiska, - sześć spadków dna, - trzy przepływy, - elementy konstrukcyjne w celu wytworzenia basenów spoczynkowych 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. dno profilowane z kaskadami

14 Rozkłady składowych prędkości bez elementów różnicujących przepływ

15 Miara turbulencji bez elementów różnicujących przepływ

16 Seria D4a - d= m, dno profilowane (bez elementów różnicujących przepływ) kaskad

17 Seria D4b - d= m, dno profilowane z elementami różnicujących przepływ (kaskadami)

18 Wartości: liczba Reynolds'a liczba Froude'a < Re < ruch turbulentny 0.09 < Fr < 0.92 ruch spokojny Warstwowy przepływ wody, strefa przejściowa, przepływ przelewowy [Ead i in. 2004, zmodyfikowane]

19 Rozkłady prędkości bez elementów różnicujących przepływ z elementami różnicującymi przepływ

20 turbulentne WykresNaprężenia naprężeń turbulentnych dla 3-1 pionu 5,23 i5; Q= 165[m ] Spadek dna I=0.0083, przepływ Q=45,8 h ls, pion 5,23 m 1,00 z/ h [-] -1 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 txy txz m ] turbulencja [NNaprężenia turbulentne [Nm-2]

21 3b. Warunki przepływu wody w przepławkach Modelowanie numeryczne 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,

22 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. 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 Progi w wariantach C1, C2 i C3 co 60, 40 i 20 m i wysokości 0.3, 0.6 i 0.9 m

23 Konstrukcja siatki obliczeniowej

24 Model bez elementów różnicujących przepływ

25 Model z elementami różnicujących przepływ - progi

26 Model z elementami różnicujących przepływ elementy habitatowe

27 Wektory prędkości w elemencie habitatowym Fragment modelu

28 Warunki hydrauliczne przepływu wody przez przepławkę z elementami oraz bez elementów różnicujących przepływ Prędkości dla spadku dna koryta i = 2,5, A bystrze, B z elementami habitatowymi, C z progami

29 Water depth h m 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.

30 4. Podsumowanie 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.