Πειραματική διερεύνηση της ροής σε μεσόβαθρο γέφυρας υπό γωνία

Abstract

Η παρουσία εμποδίων στον πυθμένα ανοιχτών αγωγών είναι συχνή, καθώς σε πληθώρα υδραυλικών έργων είναι απαραίτητη η τοποθέτησή τους. Η τοποθέτηση οποιουδήποτε εμποδίου εντός ενός υδατορεύματος επιφέρει αλλαγές στα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της ροής. Το εμπόδιο δέχεται μια δύναμη αντίστασης από τη ροή και προκαλεί απώλειες ενέργειας σε αυτή. Προκαλείται, έτσι, υπερύψωση της ελεύθερης επιφάνειας ανάντη του εμποδίου. Πολλές πειραματικές και αριθμητικές εργασίες έχουν γίνει για ροές πάνω ή ανάμεσα από εμπόδια, καθώς υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με την ακριβή συμπεριφορά της ροής και ενέχει πάντα ο κίνδυνος πλημμύρας. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της ροής γύρω από μεσόβαθρο γέφυρας υπό γωνία. Τόσο ανάντη, όσο και κατάντη του μεσόβαθρου η ροή ήταν υποκρίσιμη. Σκοπός της εργασίας αυτής ήταν ο υπολογισμός της δύναμης αντίστασης που ασκείται στο μεσόβαθρο και εν συνεχεία ο προσδιορισμός του συντελεστή αντίστασης. Εφαρμόστηκε, επίσης, ο εμπειρικός τύπος του Yarnell (1934), προκειμένου να βρεθεί η υπερύψωση της ελεύθερης επιφάνειας και να συγκριθεί με τη μετρημένη υπερύψωση. Για τον προσδιορισμό των παραπάνω πραγματοποιήθηκαν δέκα σειρές πειραματικών μετρήσεων υπό διαφορετικές συνθήκες ανά σειρά. Σε κάθε σειρά μετρήθηκαν οι ταχύτητες μέσω συσκευής Pitot σε δύο διατομές, μία ανάντη και μία κατάντη του μεσόβαθρου. Στο εργαστήριο μετρούνταν, επίσης και οι στάθμες της ελεύθερης επιφάνειας στην περιοχή του μεσόβαθρου. Μετρήσεις έγιναν για δύο παροχές και για πέντε γωνίες στροφής του μεσόβαθρου.

Obstacles in an open channel are commonly observed, as their presence in a wide range of hydraulic constructions, is considered to be essential. The installation of any kind of obstacle, inside a stream, affects the hydrodynamic characteristics of the flow. Drag force is acting on the obstacle from the flow thus leading to energy losses and resulting in an increase of the upstream water level, referred to as backwater effect. Several experimental and theoretical surveys have been conducted for flows around obstacles, as there is uncertainty regarding the exact behavior of the flow and a potential overflow risk. The purpose of this thesis is to investigate experimentally the behavior of a flow around an oblique bridge pier. Upstream and downstream of the pier, the flow is subcritical. The goal of this work is to calculate the drag force on the pier and define the drag coefficient. The empirical formula of Yarnell (1934) was applied to calculate the backwater rise of the free surface, and compared well with the measured one. Ten different sets of experiments were conducted. In each set, velocity measurements were taken in two cross-sectional areas, one upstream and one downstream of the pier, with the use of a Pitot tube. Measurements regarding the free surface elevation at the surrounding area of the pier were also taken using a point gauge with vernier. The experiments were conducted for two different flow rates, and for each one five different angles of the pier to the flow direction were examined