Συγκριτική αξιολόγηση μεθόδων εκτίμησης παροχής σε ανοικτούς αγωγούς σύνθετης διατομής

Καπατσούλιας, Ματθαίος; Kapatsoulias, Matthaios

dc.contributor.author	Καπατσούλιας, Ματθαίος
dc.contributor.author	Kapatsoulias, Matthaios	en
dc.date.accessioned	2024-05-22T06:49:03Z
dc.date.available	2024-05-22T06:49:03Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59435
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27131
dc.rights	Default License
dc.subject	Ροή σε ανοικτούς αγωγουύς	el
dc.subject	Αγωγοί σύνθετης διατομής	el
dc.subject	Φαινόμενη διατμητική τάση	el
dc.subject	Μεταφορά ορμής	el
dc.subject	Εκτίμηση παροχής	el
dc.subject	Open channel flow	en
dc.subject	Compound channels	en
dc.subject	Apparent shear stress	en
dc.subject	Momentum transfer	en
dc.subject	Discharge estimation	en
dc.title	Συγκριτική αξιολόγηση μεθόδων εκτίμησης παροχής σε ανοικτούς αγωγούς σύνθετης διατομής	el
dc.title	Comparative evaluation of discharge estimation methods in compound open channels	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υδραυλική Ανοικτών Αγωγών και Ποταμών	el
heal.classification	Open Channel and River Hydraulics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-02
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της ροής σε ανοικτούς αγωγούς σύνθετης διατομής και η συγκριτική αξιολόγηση των μεθόδων υπολογισμού της παροχής. Ροή σε ανοικτούς αγωγούς σύνθετης διατομής εμφανίζεται τόσο σε φυσικούς ποταμούς όσο και σε τεχνητούς αγωγούς, σχεδιασμένους για να μεταφέρουν μεγάλο εύρος παροχών. Μια σύνθετη διατομή καναλιού αποτελείται από το κύριο κανάλι και τις πλημμυρικές κοίτες. Για πολύ μεγάλες παροχές το νερό υπερχειλίζει από το κύριο κανάλι και ρέει στις πλημμυρικές κοίτες. Επομένως σε αυτές τις περιπτώσεις είναι πολύ σημαντικό να μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια την σχέση στάθμης-παροχής και την κατανομή της παροχής στην διατομή, ώστε να μπορούμε να εκτιμήσουμε την κατάκλυση των πλημμυρικών τμημάτων και να λάβουμε τα αναγκαία αντιπλημμυρικά μέτρα. Από παλιά έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές μέθοδοι για την εκτίμηση της παροχής σε σύνθετες διατομές. Οι κυριότερες από τις συμβατικές μεθόδους που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι η μέθοδος Single Channel Method (SCM) που θεωρεί την διατομή ως απλή και η μέθοδος Divided Channel Method (DCM) που υπολογίζει την παροχή χωριστά στα επιμέρους τμήματα τα οποία χωρίζονται με διεοιφάνειες. Οι δύο αυτές μέθοδοι εμφανίζουν όμως σημαντικά σφάλματα καθώς η SCM υποεκτιμά την παροχή ενώ η DCM, που είναι και η πιο διαδεδομένη, την υπερεκτιμά. Η αποτυχία των μεθόδων να προσεγγίσουν ικανοποιητικά την πραγματική παροχή έγκειται στο γεγονός ότι αμελούν την αλληλεπίδραση μεταξύ του κύριου καναλιού και των πλημμυρικών τμημάτων.Στην ροή σε σύνθετες διατομές το βάθος ροής των πλημμυρικών τμημάτων είναι μικρότερο από αυτό του κύριου καναλιού κάτι που έχει ως αποτέλεσμα στα πλημμυρικά τμήματα να παρατηρούνται και μικρότερες ταχύτητες. Η διαφορά αυτή των ταχυτήτων οδηγεί στην ανάπτυξη διατμητικής τάσης στην ιδεατή διεπιφάνεια που χωρίζει το κύριο κανάλι από τα πλημμυρικά τμήματα , η οποία προκαλεί σημαντική μεταφορά ποσότητας κίνησης (ορμής) από το κύριο κανάλι προς τα πλημμυρικά τμήματα. Έτσι στο κύριο κανάλι μεταφέρεται μικρότερη παροχή από αυτήν που υπολογίζεται από την μέθοδο DCM που αμελεί αυτήν την αλληλεπίδραση. Για τον καλύτερο προσδιορισμό της παροχής πραγματοποιήθηκαν τα προηγούμενα χρόνια πολλά πειράματα μικρής και μεγάλης κλίμακας σε σύνθετα κανάλια. Στα πειραματικά αυτά δεδομένα βασίστηκαν πολλοί ερευνητές για την παραγωγή μιας σχέσης που θα εκτιμάει με καλή ακρίβεια την διατμητική τάση στην διεπιφάνεια και κατ’ επέκταση θα προσεγγίζει ικανοποιητικά την πραγματική παροχή και την κατανομή της σε κύριο κανάλι και πλημμυρικά τμήματα. Στην αρχή δημιουργήθηκαν κάποιες εντελώς εμπειρικές σχέσεις με προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα ενώ στην συνέχεια έγιναν προσπάθειες να παραχθούν σχέσεις διαστατικά ορθές.Οι κυριότεροι παράμετροι που έλαβαν υπόψη οι διάφοροι ερευνητές και θα μελετηθούν και στην παρούσα εργασία είναι το σχετικό βάθος ροής y/H, δηλαδή ο λόγος του βάθους στα πλημμυρικά τμήματα προς το συνολικό βάθος ροής, ο λόγος των πλατών ολόκληρης της διατομής προς το πλάτος του κύριου καναλιού B/b και η σχετική τραχύτητα της διατομής, δηλαδή ο λόγος των συντελεστών τραχύτητας (Manning). Οι μέθοδοι που θα συγκριθούν και θα αξιολογηθούν στην παρούσα εργασία είναι οι συμβατικές μέθοδοι SCM και DCM και πέντε ακόμα μέθοδοι από την βιβλιογραφία που υπολογίζουν εμπειρικά ή ημιεμπειρικά τη διατμητική τάση στη διεπιφάνεια και στη συνέχεια η παροχή υπολογίζεται μέσω μιας ευρέως χρησιμοποιούμενης μεθοδολογίας που έχει προταθεί στην βιβλιογραφία, που εκφράζει διορθωτικούς συντελεστές στις παροχές που υπολογίζονται με τη μέθοδο DCM. Συγκεκριμένα η εργασία αποτελείται από 6 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Περιγράφεται ο λόγος για τον οποίο είναι η σημαντική η ακριβής πρόβλεψη της παροχής σε σύνθετες διατομές και γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των σημαντικότερων ερευνών. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική παρουσίαση των συμβατικών μεθόδων, της μεθοδολογίας διόρθωσης της παροχής με βάση την διατμητική τάση στην διεπιφάνεια και των σχέσεων για τον υπολογισμό της διατμητικής τάσης στην διεπιφάνεια. Επιπλέον διερευνάται και η επίδραση των βασικών παραμέτρων της διατομής στον υπολογισμό της διατμητικής τάσης. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση των μεθόδων στην εκτίμηση της διατμητικής τάσης, της συνολικής παροχής και της κατανομής της παροχής με βάση διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Παρουσιάζονται τα διαγράμματα των αποκλίσεων των μεθόδων για κάθε εξεταζόμενη διατομή συναρτήσει του σχετικού βάθους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέσες, οι ελάχιστες και οι μέγιστες αποκλίσεις των μεθόδων για όλα τα εξεταζόμενα πειραματικά δεδομένα και αξιολογούνται τα πλεονεκτήματα και οι αδυναμίες της κάθε μεθόδου. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η επίδραση των βασικών παραμέτρων, του σχετικού βάθους y/H, του λόγου B/b και της σχετικής τραχύτητας στην αποτελεσματικότητα των μεθόδων. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εργασία για τις εξεταζόμενες μεθόδους και γενικότερα για την ροή σε αγωγούς σύνθετης διατομής.	el
heal.abstract	The object of this Thesis is the study of flow in compound open channels and the comparative evaluation of discharge calculation methods. Flow in compound open channels occurs both in natural rivers and in artificial channels designed to carry a wide range of flows. A compound cross-section consists of the main channel and the floodplains. For high discharges, water overflows from the main channel and flows into the floodplains. Therefore, in these cases accurate prediction of the stage/discharge relationship and the flow distribution in the cross-section is very important, so that we can estimate the inundation of the floodway sections and take the necessary flood protection measures. Many methods have been used to estimate the flow in compound open channels. The main conventional methods that have been used are the Single Channel Method (SCM), which considers the cross-section as a simple one, and the Divided Channel Method (DCM) which calculates the flow rate separately in the individual sections which are separated by interfaces. However, these two methods introduce significant errors as the SCM underestimates the flow rate whereas the DCM, which is commonly used, overestimates it. The failure of the conventional methods to accurately predict the actual flow lies in the fact that they neglect the interaction between the main channel and the flood plains. In compound open channel flows, the flow depth of the flooding sections is less than that of the main channel, resulting in lower velocities in the flooding sections. This difference in velocities leads to the development of a shear stress at the ideal interface separating the main channel from the flood plains, which causes a significant amount of momentum transfer between the main channel and the floodplains. Thus, the discharge capacity of the main channel is lower than that calculated by the DCM method which neglects this interaction. To improve the flow rate estimation, many small-scale and large-scale experiments have been carried out in compound channels and have been presented in the literature. These experimental data have been used by many investigators to produce a relationship that will estimate with good accuracy the shear stress at the interface and thus satisfactorily approximate the actual discharge and its distribution in the main channel and the floodplains. Initially, some completely empirical relations were generated by fitting experimental data, and then attempts were made to produce dimensionally correct relations. The main parameters taken into account by several investigators, which are studied in this Thesis are the relative flow depth y/H, i.e. the ratio of the depth in the floodplain to the total flow depth, the width ratio B/b, i.e. the ratio of the whole cross-section width to the width of the main channel and the relative roughness of the cross-section, i.e. the ratio of the roughness coefficients (Manning). The methods that will be compared and evaluated in this paper are the conventional SCM and DCM methods and five other methods from the literature that empirically or semi-empirically calculate the apparent shear stress on the interface and then the discharge is calculated through a widely used methodology proposed in the literature, which applies correction factors to the flow rates calculated by the DCM method. In particular, the thesis consists of six chapters. The first chapter provides an introduction to the scope of this paper. The importance of predicting accurately the discharge in compound cross-sections is described and a literature review of the most important studies is presented. The second chapter provides a detailed presentation of the conventional methods, the methodology for correcting the calculated discharge based on the shear stress at the interface and the relationships for calculating the shear stress at the interface. In addition, the influence of key cross-sectional parameters on the calculation of shear stress is also investigated. The third chapter compares the methods in the estimation of apparent shear stress, total discharge and discharge distribution based on available experimental data. Plots for the deviations of the methods from the experimental data as a function of the relative depth are presented. The fourth chapter presents the mean, minimum and maximum deviations of each method from the experimental data considered and includes evaluation of each method. Chapter five examines the effect of the key parameters, relative depth y/H, ratio B/b and relative roughness on the effectiveness of the methods. Chapter six presents the most important conclusions drawn from this work for the methods considered and generally for the flow in compound open channels.	en
heal.advisorName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Μαμάσης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	88 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false