Upload
mustafa-hyali
View
37
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
DESCRIPTION
chap 10 fluid mechanics
Citation preview
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Flow in ducts and in open channels
Flow in ducts:
∆ h
Q
driving force is the pressure difference between the ends of the pipe
no free surface
Open channel flow:
vy
patm
driving force is gravity (fluid weight)
free surface with atmospheric pressure
. – p.1/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Velocity profiles (isolines)
0.5
1.0
1.5
2.0 0.5
1.0
1.5
2.0
1.00.5
1.5
2.0
0.51.0
1.52.0
2.5
2.5
. – p.2/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
One-dimensional description
21
∆ z
v2
2g
v
h v
y
EGL
The one-dimensional analysis of open channel flows still plays an important role forpractical engineering problems.
→ Definition of cross-section-averaged parameters required.
. – p.3/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
One-dimensional description
Continuity condition: v(x)A(x) = Q = const.
x coordinate in channel flow directionv(x) average flow velocity of the channel flow at point xA(x) local cross-section area at point x
Energy balance:
H0,1 + ∆z = H0,2 + hv orv2
1
2g+ y1 + ∆z =
v2
2
2g+ y2 + hv
H0 specific energy (related to channel bottom)hv head loss between cross-sections 1 (upstream) and 2 (downstream)
(for example with the approach of Darcy and Weisbach):
hv = λx2 − x1
dhy,m
v2
m
2g= λ
x2 − x1
4rhy,m
v2
m
2g
. – p.4/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
One-dimensional description
y
b 0
P
hydraulic radius: rhy = A/Pwetted perimeter: P (e.g., = b + 2y for rectangular cross-section)equivalent water depth: y = A/b0
specific energy: H0 = y + v2
2g= y + Q2
2gy2b20
. – p.5/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Froude number - flow regimes
������������������������������ ������������������������������
vδ
yδ
gyρ g(y+ y)ρ
vδy
c
stillwater
controlvolume
yδ
δ
fixedwave
c c −
b)a)
Propagation velocity of a small surface wave: c =√
gy
The Froude number Fr describes the ratio of the channel flow velocity to the propaga-tion velocity of an infinitesimal shallow-water surface wave:
Fr =v
c=
v√
gy
Thus, Fr is a measure for the influence of inertia in comparison to gravity.
. – p.6/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Froude number - flow regimes
Three different flow regimes can be distinguished:
Fr < 1.0 subcritical flow
Fr > 1.0 supercritical flow
Fr = 1.0 critical flow
Different flow regimes in a flow over a weir:
supercriticalflow
criticalflow
subcriticalflow
hydraulicjump
energygrade line
specificenergy
lake
. – p.7/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Specific energy and discharge diagrams
Specific energy diagram for q = const.
0
y = H
Hmin0
H 0
y
ycr
Specific discharge diagram for H0 =const.
qmax
y
q
= 2 H_
0H
ycr 3 0
. – p.8/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Frictionless flow over a bump
������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������
y1,sub
y2,sup
y2,sub
h∆y
1,sup
subcritical flow
supercritical flow
H 20H min0
ycr
y 2,sub
y 1,sup
y 2,sup
y 1,sub
H 10
h∆
. – p.9/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Hydraulic jump
Discontinuous transition from supercritical to subcritical flow.
Strong turbulence, dissipation of flow energy→ e.g., purposeful construction of stilling basins
Behavior of the hydraulic jump is predominantly affected by the upstream Froudenumber (in any cases: Fr > 1 !!).
����������������������������������������������������
y1
y2
v1
v2
F2F1
hydraulic jump
Fr > 1supercritical
subcriticalFr < 1
control volume
. – p.10/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Hydraulic jump - upstream and downstream depths
Determination of the conjugated upstream and downstream depths for constantchannel width b and horizontal bottom level (this assumption can also be taken as anapproximation for channels with not too steep bottom inclination):
Continuity (mass conservation):
y1v1b1 = y2v2b2 .
Momentum balance:1
2gb(y2
1 − y2
2) = v1y1b(v2 − v1) .
→ Conjugated upstream and downstream depths:
y2
y1
=1
2
„q
1 + 8Fr21 − 1
«
y1
y2
=1
2
„q
1 + 8Fr22 − 1
«
Loss of energy in the hydraulic jump:
∆H = H01 − H02 =(y2 − y1)
3
4y1y2
. – p.11/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Discharge control
The fluid follows the principle of less constraint.
For a given channel geometry and a given level of the available energy headthe maximal possible discharge occurs.The cross-section which can deliver the smallest Qmax (at critical flowconditions) for a given level of the available energy, controls the discharge.
For a given discharge the minimal required energy level adapts in such a waythat the discharge can be delivered.The discharge is controlled in that cross-section where the maximum absoluteenergy head (H0+ distance to the datum line) is required to let the given dis-charge pass through.
The locus of discharge control is always characterized by critical flow conditions.
It is further valid:
Supercritical flow is controlled upstream.
Subcritical flow is controlled downstream.
. – p.12/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Uniform flow with friction
In long undisturbed channels with constant bottom inclination and constant cross-section the flow conditions are uniform (normal-depth conditions).
If normal-depth conditions are given, then there is an equilibrium between the com-
ponent of the gravity in flow direction and the friction-induced forces due to shear
stress.
Dependent on the flow regime at normal-depth conditions, the channel slope can beclassified:
mild: subcritical normal-depth conditionsyN > ycr
steep: supercritical normal-depth conditionsyN < ycr
critical: critical normal-depth conditionsyN = ycr
. – p.13/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Normal-depth conditions
Chézy approach:For normal-depth conditions the slope of the energy grade line IE is equal to the bottomslope I0. Then it follows:
hv = ∆z = I0L
Head loss according to Darcy and Weisbach
hv = λL
4rhy
v2
2gwith rhy =
A
P
By combinations of both equations and algebraic transformation it follows
v0 =
„
8g
λ
«
1/2
r1/2
hy I1/2
0.
Problem:Determination of the Chézy coefficient C = (8g/λ)1/2, which is a function of the chan-nel geometry and the bottom roughness.
. – p.14/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Normal-depth conditions
Approach of Gauckler, Manning, and StricklerFrom the empirical conclusion that the Chézy coefficient increases approximately asthe sixth root of the hydraulic radius (channel size), we can introduce with the help of
C =
„
8g
λ
«
1/2
≈ r1/6
hy kst
the Strickler coefficient kst.
kst is a roughness coefficient (dimension [m1/3
s]).
Gauckler-Manning-Strickler equation:
v0 = kst r2/3
hy I1/2
0
. – p.15/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Normal-depth conditions
Roughness coefficients kst for open channel flow:
kst [m1/3
s]
River bed with firm bottom, no irregularities 40Neckar near Wendlingen 35River bed, covered with aquatic plants 30-35River bed with boulders and irregularities 30River with high bed load 28River bed with sand and gravel, plastered banks 40-50River bed outlayed with large stones 25-30Smooth cement surface 100Concrete, constructed with wooden formwork, without plaster 65-70
. – p.16/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Normal-depth estimation
Graphical evaluationof the GMS equationfor given discharge Qand trapezoidalcross-section withdifferent bankinclinations:
yNb
yNb
Sb
Sb
Sb kst IE1/2 b8/3. .=Q
yN
b 0
5
0.5
1
10.1 10 100
1
10 10
0.250m = 0.5 1 24
0.1
0.21 2 40m =
0.05
0.020.10.010.001
b1:m
Normal depth for trapezoidal cross−sections
. – p.17/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow
Assumptions:
Slowly changing bottom slope, cross-section and water depth (no hydraulicjump).
One-dimensional velocity distribution.
Pressure distribution approximately hydrostatic.
Differential equation:
dy
dx=
I0 − IE,m
1 − Fr2.
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
E,mI
0I dx
v 2
2g
v 2
2gv 2
2g+ d
E,mI dx
dxx x+dx
0I
α
y
y+dyv+dv
v
. – p.18/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow
For non-uniform flows the bottom slope I0 and the slope of the energy grade line IE
differ.
y < yN :The flow velocity is larger than at normal-depth conditions. Since the lossesincrease with increasing velocities, it follows that the slope of the EGL is largerthan the bottom slope.IE > I0
y > yN :The opposite case holds accordingly.IE < I0
y = yN :Normal-depth conditions, IE = I0 !!
. – p.19/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow - basic solution curves
yN ycr
3S
S 2
1SyN ycr
I0 Icr
ycrycr
yNyNyN
S
ycr
I0 Icr
Steep (S)
<>
y
> y
<
<
y:
:
:
1
2
3
S
S
>< <
>
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
yN ycr
yN
ycr
M 1
M 2
M 3
ycrycr
yNyNyN
M 1
M 2
M 3
I0 Icr
I0 Icr
Mild (M)
>
> y >
> y
<
<
y:
:
:<
<
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
. – p.20/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow - basic solution curves
yNyNC y
< y:
:1C
3 >
I0 Icr
1C3C
yN ycr
I0 Icr
ycryN
=
Critical (C)
=
==
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
I0= 0
ycr
2H
H 3
yN
8
I0= 0
yNyN
ycr
ycr
2H
H 3
Horizontal (H)
:
:
>
< ���������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������
. – p.21/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow - integration of the diff. equation
Given discharge Q:
dy
dx=
I0 −Q2
k2str
4/3hy
A2
1 − Q2bgA3
Choose the discretizationlength ∆x or ∆y
Numerical integration
Computation from upstreamto downstream forsupercritical flow
Computation fromdownstream to upstream forsubcritical flow
Single-step approximation:e.g., for the calculation of a backwatercurve
v2
1
2g+ y1 + ∆xI0 =
v2
2
2g+ y2 + ∆xIE,m
IE,m =v2
m
k2
str4/3
hy,m
∆x =
“
y2 +v22
2g
”
−“
y1 +v21
2g
”
I0 −v2
m
k2str
4/3hy,m
=H02 − H01
I0 − IE,m
. – p.22/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow - composite flow profiles
Changing water depth in channel regions with different roughness (constant bottomslope)
��������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������
yN,1
yN,3
yN,2
flowcritical
jumphydraulic
kst,2 kst,1 kst,3> >
S 2
S 1
ycr
M 2
mild
steepmild
. – p.23/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Gradually varied flow - composite flow profiles
Changing water depth in channel regions with different bottom slope (constant rough-ness)
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
yN,1
S 2
M 2
yN,2
yN,3
flowcritical
M 1
I 0,3 I 0,1 I 0,2> >
ycr
mildmilder
steep
. – p.24/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Broad-crested weirs
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������
ycr
w0
h1H1
L
boundary−layer
ventilation
Critical flow occurs on the weir crest (position of discharge control)
Specific discharge over a broad-crested weir
q =1√
3
2
3
p
2gh3/2
1
General weir formula:
q = µ2
3
p
2gh3/2
1
In general, the discharge coefficient µ must be determined by experiments.
. – p.25/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Sharp-crested weirs
������������������������������������������������������������������������
w0
h1 h123
ventilation1
2
Formulation of the Bernoulli equation along the streamline 1–2
Specific discharge over a sharp-crested weir:
q = µ2
3
p
2gh3/2
1
Rough estimation µ =p
2/3 ≈ 0.81
Poleni equation for h1/w0 < 6:
µ = 0.611 + 0.075h1/w0
. – p.26/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Round-crested weirs
������������������������������������������������������������������������
h1
w0
h1 h1a
w0
h1a
h1
w0
: head on the weir
: design head on the weir
: height of weir
round−crested weirsharp−crested, ventilated weir
Atmospheric conditions on the weir crest for design water level h1a
h1 > h1a: Under-pressure on the weir crest, the nappe (water overflow) issucked to the weir crest. The discharge coefficient is increased.
h1 < h1a: Over-pressure on the weir crest, decreased discharge coefficient.
. – p.27/28
Universität Stuttgart Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierunglehre/VL-HM/E-HYDRO-LECTURE-NOTES/HYDROFOLIEN/gerin_F.tex Open channel flow
Round-crested weirs - discharge coefficient
Discharge coefficient µ for round-crested weirs at design head on the weir (h1 = h1a)
0 2 3 4 51
0.8
0.9
0.7
1.0
1.1
1.2
1ah /w0
µ
. – p.28/28