29
Wpływ roślinności na opory przepływu Akademia Rolnicza w Akademia Rolnicza w Krakowie Krakowie Katedra Inżynierii Wodnej Katedra Inżynierii Wodnej

Wpływ roślinności na opory przepływu

  • Upload
    wylie

  • View
    64

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Akademia Rolnicza w Krakowie Katedra Inżynierii Wodnej. Wpływ roślinności na opory przepływu. Akademia Rolnicza w Krakowie Katedra Inżynierii Wodnej. Schemat oddziaływania roślinności. Roślinność terenu zalewowego. Schemat oddziaływania. Akademia Rolnicza w Krakowie - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Wpływ roślinności na opory przepływu

Wpływ roślinności na opory przepływu

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Page 2: Wpływ roślinności na opory przepływu

Schemat oddziaływania roślinności

Roślinność terenu zalewowego

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Schemat oddziaływania

Page 3: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Przepływ wody w naturalnych ciekach o charakterze górskim zależy od oporów ruchu wody po szorstkim dnie i dławienia bocznego wywołanego roślinnością lub innymi przeszkodami, w obliczeniach prędkości średniej należy również uwzględnić współczynnik oporów liniowych l. Obliczając przepływ, posłużyć można się przekrojem podzielonym na obszary:

I - roślinność wysoka na terenie zalewowym, brak wpływu koryta głównego na warunki przepływu,

II - roślinność średnia i wysoka na terenie zalewowym, wpływ koryta głównego,

III - brak roślinności lub roślinność niska, wpływ szorstkości dennej i zalewu, obszar koryta głównego

Page 4: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

W obszarach I, II i III średnią prędkość obliczymy ze wzoru Darcy-Weisbacha:

RIv g

8

Page 5: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Opory ruchu wody w uregulowanym korycie cieku należy określić jako sumę oporów ruchu wody po podłożu λs oraz bocznych λv, wywołanych przez umocnienia brzegu:

s V

Page 6: Wpływ roślinności na opory przepływu

Dno szorstkie koryta

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

s V

Page 7: Wpływ roślinności na opory przepływu

Roślinność terenu zalewowego

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

s V

Page 8: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Opory przepływu powstałe w rezultacie oddziaływaniem dna obliczymy wzorem Colebrooka - White’a:

1 2 5112 22 03 s

kR . log .

Re .

wg Rickerta przy dużej chropowatości względnej koryta cieku równanie można uprościć do postaci :

112 22 03skR . log .

Page 9: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

po przekształceniu można obliczyć współczynnik oporów ścian i dna:

s Rk

1

2 03

2

12 2. log .

R

kgdzie: - chropowatość względna [-]

Page 10: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Dla przeszkód wysokich współczynnik strat liniowych oblicza się jako część przekroju zajętą przez rośliny do powierzchni całości przekroju. Posługując się bezwymiarowym współczynnikiem oporów opływania CWR, rozstawą roślin ax i ay, oraz ich średnicą dp i wysokością w trakcie trwania przepływu hp, możliwe jest określenie dławienia bocznego wywołanego przez roślinność wystającą ponad zwierciadło wody:

gdzie: CWR - bezwymiarowy współczynnik oporów opływu roślinności zależy od stosunku prędkości dopływającej vp do średniej prędkości w obszarze zajmowanym przez roślinność vv oraz od zafalowań wywołanych przez roślinność

kWRaa

dh

V Cyx

pp cos4

123.21.1

1

12

yapdv

p

y

p

v

v

a

d

WRC

Page 11: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Ponieważ według Lindnera współczynnik oporów, wywołany roślinnością, nie jest zależny liniowo od przesłonięcia przekroju roślinnością i jej zagęszczenia w układzie liniowym, lecz zmienia się, fakt ten uwzględnia stosunek prędkości ruchu wody przed poza przeszkodą:

1.148.025.015.1

y

NB

x

NL

v

p

aa

aa

v

v

143.2

2

2187.128iV

NLIgapWNL dCa

a a C dNB NL W p 0 24 0.590.41

.

Page 12: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Zmienność współczynnika oporu pojedynczego elementu przy dwuwymiarowym przepływie CW podał Lindner :

CW = 1.2 dla 5108000 pRe

CW = 1.0 dla 8000800 pRe

CW = 3.07Re p 0.168 dla 800

pvdv

pRe

Page 13: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Współczynnik porośnięcia oblicza się ze wzoru:

0 073 29 0.95

..a

aaa

NL

x

NB

y

Szerokość strefy oddziaływania obszaru II (zarośniętego) na obszar nie zarośnięty III:

056.0068.0 56.0

Tv

T

ce

hmb

gdzie współczynnik oporu w płaszczyźnie rozdziału:

85.2lg27.3 ΩcT

Page 14: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Zgodnie z koncepcją Einstein, o równości prędkości średniej w każdym podobszarze koryta, uśrednienia wymagają zróżnicowane współczynniki oporu w korycie głównym oraz należy wprowadzić podział promienia hydraulicznego przekroju Ri:

Szorstkość bezwzględną (zastępczą wysokość występów szorstkości) w płaszczyźnie rozdziału oblicza się ze wzoru:

IIIi RR i

07.14.3854.0k

m

bb

TT Rk

Page 15: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Średni współczynnik oporów w głównym korycie oblicza się uwzględniając współczynniki oporów w części przekroju wolnej od roślinności oraz w płaszczyźnie rozdziału:

Prędkość średnia w obszarze III :

2 22T T s s

T s

h lh l

JgR

FIIIv 8

Prędkość w płaszczyźnie rozdziału obszarów II i III :FTT vCv v

8

Page 16: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

System współczynników umożliwiający obliczenie aktualnego, dla danego przekroju, współczynnika szorstkości opracował Cowan, przedstawiając następujące zestawienie:

nmnnnnnn 43210

Page 17: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Charakterystyka współczynników do obliczania szorstkości metodą Cowana

Opis koryta cieku Wartości współczynników

Rodzaj materiału

piasekdrobny żwirgruby żwirobrabiane skały

n0

0,0200,0240,0280,025

Stopień nieregularności brzegów i dna

koryto regularnemała nieregularneśrednia nieregularnośćduża nieregularność

n1

0,0000,0050,0100,020

Zmiany przekroju poprzecznego

przekrój stałyzmiany sporadycznezmiany częste

n2

0,0000,0050,010 - 0,015

Wpływ przeszkód lokalnych

brak przeszkódprzeszkody nieliczneprzeszkody znaczneliczne przeszkody

n3

0,0000,010 - 0,0150,020 - 0,0300,040 - 0,060

Wpływ zarastania

brak zarastaniaporost niskiporost średniporost wysokiporost b. wysoki

n4

0,0000,005 - 0,0100,010 - 0,0250,025 - 0,0500,050 - 0,100

Stopień zakrzywienia trasy

małyśredniduży

m1,0001,1501,300

Page 18: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Wpływ roślinności

na przepustowość

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

0.24

0 0.02 0.04 0.06

Q [m3s-1]

h [m

]

180

120

60

0

[m-2]

Maks. zagęszcz.

Brak roślin

Page 19: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Energia koryta:

gdzie: mgI - siła naporu jednostkowego fragmentu wody w korycie

[N],vt ­- droga pokonana w jednostce czasu [m]

vtmgIE

Page 20: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Energia zużyta na pokonanie oporów opływu dna szorstkiego i roślinności:

PvtE

Page 21: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Podstawiając całkowite opory opływu

oraz:- opór opływu dna szorstkiego:

vs PPP

2

2

1vFCP ds

oraz:- opór opływu roślin: 2

2

1vCAP rrv

Page 22: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

otrzymamy:

gdzie: Ar - powierzchnia opływu roślinności z jednostkowego wycinka powierzchni dna przy napełnieniu wywołującym ruch m masy wody [m2]

rrd CAFCtvE 3

2

1

Page 23: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Zakładając, że F­ Cd dla stałego zakresu liczby Reynoldsa, przy dnie sztywnym, jest wartością stałą i zastępując możemy napisać:

Przyjmując założenie, że opory wywołane szorstkością denną są znikomo małe w stosunku do oporów opływu roślinności na terenie zalewowym można napisać:

2v

IgmCAD rr

2vA

IgmC

rr

Page 24: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Dla znanego rozkładu prędkości w profilu o liczbie warstw n wartość Arv2 obliczymy:

n

iśririr vAvA

1

22

Page 25: Wpływ roślinności na opory przepływu

Opory opływu roślinności

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Przyjęto następujące założenia:

- wytworzona przez siłę ciężkości energia ruchu wody jest równa energii zużytej na opory opływu,

- współczynnik oporów opływu Cr roślinności, dla pozostającej w jednym zakresie liczby Reynoldsa, ma stałą wartość,

- roślinność nie ulega zniszczeniom podczas przepływu,

- stosunek oporów opływu dna i roślinności na terenie zalewowym przyjmuje wartość zaniedbywalnie małą.

Page 26: Wpływ roślinności na opory przepływu

Charakterystyka roślinności

Rozkład powierzchni opływu

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Powierzchnia opływu roślin [m2]

Nap

ełni

enie

[cm

] Powierzchniacałkowita

Powierzchniajednostkowa

Page 27: Wpływ roślinności na opory przepływu

Charakterystyka roślinności

Teren zalewowy

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Page 28: Wpływ roślinności na opory przepływu

Charakterystyka roślinności

Teren zalewowy

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej

Page 29: Wpływ roślinności na opory przepływu

Przepływ na terenie zalewowym

Koniec

Akademia Rolnicza w KrakowieAkademia Rolnicza w KrakowieKatedra Inżynierii WodnejKatedra Inżynierii Wodnej