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.

Obejście w formie kanału, a) naśladującego naturalny strumień, b) 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

3a. Warunki przepływu wody w przepławkach

Pomiary laboratoryjne

Pomiary laboratoryjne

Sonda MicroADV

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

Rozkłady składowych prędkościbez elementów różnicujących przepływ

Miara turbulencji – bez elementów różnicujących przepływ

Seria D4a - d=0.06-0.08 m, dno profilowane(bez elementów różnicujących przepływ) kaskad

Seria D4b - d=0.06-0.08 m, dno profilowane z elementami

różnicujących przepływ (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

Rozkłady prędkości

bez elementów różnicujących przepływ z elementami różnicującymi przepływ

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.

Konstrukcja siatki obliczeniowej

Model bez elementów różnicujących przepływ

Model z elementami różnicujących przepływ - progi

Model z elementami różnicujących przepływ – elementy habitatowe

Wektory prędkości w elemencie habitatowym

Fragment modelu

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