Πειραματική διερεύνηση ροής σε ανοιχτό αγωγό με μεγάλα στοιχεία τραχύτητας

Abstract

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης βυθισμένων εμποδίων διαφορετικού σχήματος στη ροή ανοικτού αγωγού υπερκρίσιμης κλίσης. Ειδικότερα, διερευνάται ποια είναι η παράμετρος που επηρεάζει περισσότερο τη ροή οδηγώντας σε μεγαλύτερο βάθος ροής και τραχύτητα. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε εργαστηριακή συσκευή στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Υδραυλικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Η συσκευή απαρτίζεται από μία δεξαμενή τροφοδοσίας και έναν ορθογωνικό αγωγό πλάτους 25 cm. Ο αγωγός αποτελεί ομοίωμα τμήματος του ποταμού Διακονιάρη στην Πάτρα και συνίσταται από τρία τμήματα, εκ των οποίων το ανάντη και το κατάντη τμήμα έχουν κλίση 0.05 και το ενδιάμεσο, μήκους 355 cm, έχει κλίση 0.165. Στο μεσαίο τμήμα του αγωγού, τοποθετήθηκαν τέσσερις διαφορετικοί τύποι εμποδίων- στοιχείων τραχύτητας: ελάσματα με ημισφαίρια, ορθογώνια παραλληλεπίπεδα, κύλινδροι και άκαμπτες ράβδοι. Οι ράβδοι τοποθετήθηκαν σε δύο εναλλακτικές διατάξεις. Κάθε τύπος εμποδίου μελετήθηκε για παροχές 15, 30, 45 και 52.5 l/sec. Για κάθε πειραματική διάταξη, ελήφθησαν μετρήσεις με τη χρήση σταδίας των βαθών ροής στο ενδιάμεσο τμήμα του αγωγού. Τα βάθη ροής μετρήθηκαν σε δύο θέσεις της υδάτινης διατομής, στην παρειά και στο μέσον. Από αυτές τις μετρήσεις προέκυψε το προφίλ της ροής της κάθε διάταξης, το οποίο απεικονίζει το διάγραμμα θέσης και βάθους ροής. Στη συνέχεια, προσδιορίστηκε η θέση από την οποία και μετά η ροή του υπό μελέτη τμήματος του αγωγού θεωρείται προσεγγιστικά ομοιόμορφη και υπολογίστηκε το μέσο βάθος ροής. Κατόπιν, με υδραυλικούς υπολογισμούς προσδιορίστηκε ο συντελεστής τραχύτητας n του Manning για κάθε πειραματική διάταξη. Καταρτίστηκαν διαγράμματα n(Q) (τραχύτητας – παροχής), στα οποία αποτυπώνεται η αντίσταση στη ροή των εμποδίων και η συμπεριφορά τους σε σχέση με την αύξηση της παροχής. Στα διαγράμματα αυτά συμπεριλήφθησαν και δεδομένα από τη διπλωματική του Π. Βασιλάκου, ο οποίος πραγματοποίησε ανάλογα πειράματα στον αγωγό με διαφορετικά εμπόδια (ελάσματα, οδοντώσεις, κύβοι, ημισφαίρια). Από τα διαγράμματα αυτά εκτιμήθηκε ότι η τοποθέτηση εμποδίων συμβάλλει στην αύξηση του βάθους ροής και της τραχύτητας. Ακολούθησε η αναγωγή των βαθών ροής σε κλίμακα του πρωτότυπου αγωγού. Τέλος, μορφώθηκαν διαγράμματα με αδιάστατες παραμέτρους, οι οποίες εμπεριέχουν την τραχύτητα n, το συντελεστή τριβής f, την κλίση του αγωγού, την ανά μονάδα πλάτους παροχή και τα γεωμετρικά μεγέθη των εμποδίων και των διατάξεων. Συμπεριλήφθησαν δεδομένα και από άλλες εργασίες (Βασιλάκος, Herbich–Shulits, Χριστοδούλου-Παπαθανασιάδης). Τα συμπεράσματα της έρευνας συνοψίζονται ως εξής: 1. Προέκυψε ότι το ύψος και η επιφάνεια προβολής των εμποδίων στο μέτωπο της ροής συνδέονται με την τραχύτητα με ανάλογη σχέση, ενώ η επιφάνεια κατά μήκος της ροής με αντιστρόφως ανάλογη σχέση. 2. Επίσης, όσο πιο υδροδυναμικό είναι το σχήμα των εμποδίων, τόσο μικρότερη είναι η τραχύτητα του αγωγού. 3. Η ελάττωση των αποστάσεων μεταξύ των εμποδίων αυξάνει το συντελεστή Manning. Είναι πιθανό, ωστόσο, η ελάττωση αυτή πέραν κάποιας τιμής να μην οδηγεί σε μεγαλύτερο n. 4. Μεγαλύτερη κλίση του αγωγού στην υποκρίσιμη ροή οδηγεί σε αύξηση του n. Προτείνεται η περαιτέρω έρευνα επί της συγκεκριμένης συμπεριφοράς και στην υπερκρίσιμη ροή. 5. Ο συντελεστής τριβών f των Darcy-Weisbach συνδέεται με λογαριθμική σχέση με το λόγο yκ/h (κρίσιμο βάθος/ύψος εμποδίου) για κάθε τύπο εμποδίου.

The aim of this diploma thesis is to study the effect of submerged elements of various forms on the flow of open channel of supercritical slope. Particularly, it is determined which factor mainly influences the flow, resulting in higher depth of flow and roughness. The experiments were conducted in the Laboratory of Applied Hydraulics of the National Technical University of Athens. The experimental set-up consists of a supply tank and a 25 cm wide rectangular flume. The flume is the model of part of Diakoniaris River in Patra and is divided in three parts: the upstream and downstream parts have a slope of 0.05 and the intermediate, which is 355 cm long, has a slope of 0.165. In the intermediate part of the flume, four different types of blocks-roughness elements were placed (blades with hemispheres, cuboids, cylinders and stiff bars). The bars were placed in two different arrangements. These configurations were tested for discharges 15, 30, 45 and 52.5 l/sec. In each arrangement, measurements of the depth of flow were taken, in the intermediate part of the flume, using a graded ruler. These depths were measured in two positions of the cross-section, one in the middle and one in the side. The flow profile, which is portrayed by flow depth versus position diagrams, was derived based on these measurements. The position downstream of which the flow is considered approximately uniform was determined using the aforementioned diagrams and the average depth of flow was calculated. Afterwards, by hydraulic calculations the Manning resistance coefficient n was found for each one of the arrangements. The n(Q) diagrams were plotted, that depict the resistance in flow and the behaviour of the blocks in relation to the increase of discharge. Data from the thesis of P. Vassilakos, who conducted similar experiments in the flume with different roughness elements (blades, baffle blocks, cubes, hemispheres), were also taken into consideration. Studying the diagrams it was deduced that the placement of the blocks contributes to the increase of the flow depth and roughness. Furthermore, the flow depth measurements were reduced in prototype flume scale. Concluding, diagrams with dimensionless parameters were plotted. These parameters contain roughness n, resistance coefficient f, flume’s slope, discharge q and the geometric characteristics of the blocks and arrangements. Data from other studies were also included (Vassilakos, Herbich-Shulits, Christodoulou- Papathanasiadis). The conclusions of the research are summarized as following: 1. The height and the projected surface of the blocks vertically to the flow are relative to roughness, while the surface along the flow is inversely relative. 2. The more hydrodynamic the shape of the blocks is, the smaller the roughness of the flume. 3. Decreasing the space between the blocks increases the Manning coefficient. It is possible though, decreasing it further than a value that will not result in higher n. 4. Steeper flume slope in subcritical flow results in higher n. It is suggested that a research on this effect for supercritical flow would be beneficial. 5. Darcy-Weisbach resistance coefficient f is related through a logarithmic function to the yκ/h ratio (critical depth/block height) for each type of block.