Πειραματική προσομοίωση βλάστησης σε ανοιχτό αγωγό

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε η διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της στάθμης του ανοιχτού αγωγού και της παροχής στον αγωγό μέσα από πείραμα με διατάξεις που αντιστοιχούν σε διάφορες περιπτώσεις πυκνότητας βλάστησης αλλά και για διάφορες κλίσεις του αγωγού. Αρχικά, έγινε καλιμπράρισμα του νέου μανομέτρου που είχε τοποθετηθεί στο εργαστήριο για το κυρίως πείραμα. Σε πρώτη φάση έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων του παλαιού μανομέτρου και του παροχομέτρου των υπερήχων το οποίο ήταν τοποθετημένο στο σιδερένιο κομμάτι του αγωγού παροχής νερού. Έπειτα έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων του νέου μανομέτρου και του παροχομέτρου των υπερήχων το οποίο ήταν τοποθετημένο στο κομμάτι του αγωγού παροχής νερού από PVC και επιπλέον των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την μέτρηση της στάθμης νερού στο χείλος του ορθογωνικού καναλιού για τις ίδιες παροχές για να είναι συγκρίσιμα με τα προηγούμενα αποτελέσματα. Έτσι από τα κοινά τους διαγράμματα προκύπτει ο θεωρητικός τύπος του νέου μανομέτρου. Ακολούθως, περιγράφεται η διαδικασία εκτέλεσης πειραμάτων. Σε πρώτο στάδιο, γίνεται η περιγραφή της πειραματικής συσκευής η οποία είναι μια εργαστηριακή ορθογωνική διώρυγα-κανάλι συνολικού μήκους 17 m με την δεξαμενή και πλάτους 0,5 m, κατασκευασμένο από Plexiglas ενώ η δεξαμενή είναι σιδερένια με περίπου το ίδιο πλάτος. Έπειτα περιγράφονται οι σειρές πειραμάτων όπου η προσομοίωση της βλάστησης έγινε με άκαμπτες ράβδους από Plexiglas τοποθετημένες σε ένα επιπλέον πυθμένα πάχους 1 cm περίπου πάνω στον πυθμένα του καναλιού. Ο πυθμένας αυτός είναι και αυτός από Plexiglas συνολικού μήκους 8 m και πλάτους όσο το κανάλι δηλαδή 0,5 m και χωρίστηκε σε 4 κομμάτια και στον οποίο έγιναν όλες οι τρύπες όλων των περιπτώσεων των πυκνοτήτων των ράβδων εξ αρχής και τοποθετήθηκε περί τα 3 m από το χείλος του καναλιού. Έγιναν 3 σειρές μετρήσεων που κάθε μια αντιστοιχεί σε μια κλίση του καναλιού. Οι κλίσεις που επιλεχθήκαν είναι 0,1 %, 0,2% και 1%, οι δυο πρώτες είναι υποκρίσιμες και η τελευταία υπερκρίσιμη καθώς η κρίσιμη κλίση κυμαίνεται από 0,33-0,38 % για το συγκεκριμένο κανάλι και για το εύρος των παροχών του πειράματος. Για κάθε κλίση έγιναν 3 σειρές μετρήσεων που κάθε μια αντιστοιχεί σε μια πυκνότητα ράβδων, οι οποίες είναι 100 stems/m2, 187 stems/m2 και 400 stems/m2. Στην εκτέλεση των πειραμάτων, για τις επιλεγμένες παροχές, γινόταν μέτρηση του βάθους νερού σε 21 θέσεις στο κανάλι συμπεριλαμβανομένης της θέσης στο χείλος. Οι περισσότερες (15) βέβαια ήταν πάνω στον επιπρόσθετο πυθμένα για να μπορέσει να προσδιοριστεί το ομοιόμορφο βάθος από το όποιο προκύπτει ο συντελεστής Manning (n`) που αντιστοιχεί στην συγκεκριμένη βλάστηση. Σαν παρατήρηση μπορεί να ειπωθεί ότι στην υποκρίσιμη κλίση η προσαρμογή της ροής στον επιπρόσθετο πυθμένα γίνεται με ομαλό τρόπο ενώ στην υπερκρίσιμη κλίση δεν συμβαίνει αυτό ενώ δημιουργείται υδραυλικό άλμα και παρατηρήθηκε ότι με την αύξηση της κλίσης του καναλιού τα βάθη μειώνονται ενώ με την αύξηση της πυκνότητας των ράβδων τα βάθη αυξάνονται γιατί δρουν σαν εμπόδια στην ροη και τα δυο όμως είναι αναμενόμενα. Στην συνέχεια γίνεται παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων σε πίνακες και διαγράμματα ανά περίπτωση ενώ υπάρχουν και τα κοινά τους διαγράμματα για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Επίσης, για την γενίκευση των πειραματικών αποτελεσμάτων έγινε αδιαστατοποίηση κάποιων παραμέτρων που παρουσιάζονται σε πίνακες και κοινά διαγράμματα. Σαν τελικό στάδιο στην εργασία αυτή, έγινε η σύγκριση της με παλαιότερες οι οποίες ήταν παραπλήσιες και ήταν εφικτή η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων τους για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι (α) με την αύξηση της παροχής και συνεπακόλουθα του βάθους ροής, ο συντελεστής Manning n` μειώνεται γιατί η βλάστηση έχει όλο και μικρότερη επίδραση στην ροή,(β) για σταθερή κλίση αύξηση της πυκνότητας οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή n`,(γ) για σταθερή πυκνότητα αύξηση της κλίσης οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή n`. Για τα αδιαστατοποιημένα αποτελέσματα, γενικά, για σταθερή πυκνότητα όσο αυξάνεται η κλίση τόσο μειώνονται τα Ν`. Τα ίδια ισχύουν και για τα διαγράμματα 1/ f1/2-log Yκ . Για τα διαγράμματα με σταθερή κλίση ισχύει πάλι ότι με την αύξηση των αδιαστατοποιημένων Yκ παρατηρείται αύξηση των αδιαστατοποιημένων Ν`. Τέλος, από την σύγκριση με την εργασία των Carollo et al (2002) προκύπτει το συμπέρασμα ότι υπάρχει μια ομοιότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων ενώ από την εργασία της Ε. Κωστίδου (2010) μπορεί να ειπωθεί ότι γενικά αύξηση της κλίσης οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή Manning n`, αλλά για σταθερή πυκνότητα, αυτή η αύξηση είναι μικρή από ένα σημείο και μετά.

In this MSc thesis the relationship between the water level of open channel and discharge in the channel was investigated through experiment with provisions similar to several cases of vegetation density and for various inclinations of the channel. Initially, calibration took place for the new gauge which was placed in the laboratory for the main experiment. In the first phase we compared the results of the old gauge and the ultrasonic flow meter which was placed on the iron segment of water supply pipe. Then we compared the results of new gauge and the ultrasonic flow meter which was placed on the PVC segment of the water supply pipe and also the results obtained by measuring the water level at the edge of the rectangular channel for the same discharges to be comparable with previous results. So from their common diagrams the theoretical formula of the new gauge was chosen: Q=2,2887(ΔΗ)^0,5 as it is shown in the following diagram:

Diagram 1: All formulas of the new gauge for all cases

Next, we describe the procedure for performing experiments. First, experimental model is described which is a rectangular laboratory channel of total length 17 m till the tank and width 0,5 m, made of Plexiglas, while the tank is made of steel with about the same width. After, we describe the series of experiments where the vegetation was simulated by rigid Plexiglas rods mounted on an extra bed of approximately 1 cm thickness above the bottom of the channel. The bottom, made of Plexiglas, with total length 8 m and width as the channel that is 0,5 m, was divided into 4 pieces where were all the holes for all the cases of densities of rods from the outset and was placed approximately 3 m from the edge of the channel. There were 3 sets of measurements each corresponding to a different slope of the channel. The gradients chosen are 0.1%, 0.2% and 1%, the first two are subcritical and the last is supercritical, since the critical slope ranges from 0.33 to 0.38% for the channel and the range of discharges of the experiment. For each slope 3 sets of measurements were conducted each corresponding to a density of rods, which are 100 stems/m2, 187 stems/m2 and 400 stems/m2. In carrying out the experiments for the selected discharges the depth of water was measured at 21 locations in the channel including its position on the edge. Most of them (15) were on the extra bed in order to establish a uniform depth which shows the Manning coefficient (n `) corresponding to specific vegetation. As an observation can be said that in the subcritical cases, adjustment of the flow in the extra bed is in a smooth manner but in supercritical slope is not; in that case hydraulic jump is created and it is observed that by increasing the slope of the channel, depths are reduced while increasing the rod density, depths are increased because they act as barriers to flow, but both are expected. Then there is a presentation of experimental results in tables and charts corresponding to each case and their common diagrams for deducting conclusions. In conclusion we can say that (a) by increasing the discharge and therefore the depth of flow, the coefficient of Manning n` was reduced because it has less and less effect on flow, (b) for a certain slope increasing the density increases the coefficient n` and (c) for constant density increasing the slope increases the coefficient n`, as it is shown in the following diagrams:

Diagram 2: n`(s/m1/3) - Q (L/s) for a certain slope 0.1%

Diagram 3: n`(s/m1/3) - Q (L/s) for constant density 400 stems/m2

Also, for the generalization of experimental results the dimensionless parameters were calculated which are presented in tables and common diagrams. For dimensionless results, in general, for constant density increasing slope reduces N`. The same goes for diagrams 1 / f1/2-logYk. For graphs with constant slope it is again observed that with increasing dimensionless Yk increase the dimensionless N` increase, as it is shown in the following diagram:

Diagram 4: N1' – Yκ1 for constant slope 0.2%

As a final step in this thesis, the results were compared with earlier studies which were very similar and it was possible to compare experimental results to draw conclusions. By comparing with the Carollo et al (2002) thesis it was concluded that there is a similarity between the results while with the Kostidou (2010) thesis may be said that generally increasing the slope increases the coefficient of Manning n`; but for constant density, this increase is negligible after some point. The diagrams with comparison of the thesis follow:

Diagram 5: Comparison between Carollo et al (2002) and present thesis for slope 0.2%

Diagram 6: Comparison between Carollo et al (2002) and present thesis for slope 0.2%

Diagram 7: Comparison between Kostidou (2010) and present thesis for all cases