measurements for water: meten in het laboratorium
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Measurements for
water
Meten in het laboratorium
21-11-2012
1
Meten in het laboratorium
• Ontwerp van een labexperiment
• Dimensieloze kentallen
• Schaalregels en gelijkvormigheid
• Het meten van snelheden, debieten, waterstanden,
drukken …….
Stroming in rivieren
Zomerkade
Krib
Toegangsweg
Dijk
Verhoogd liggend
gebouw
Vegetatie
Bocht
Experimenteel onderzoek
• Op welke vraag wil ik een antwoord?
• Uit welke gegevens bestaat het antwoord?
• Hoe kom ik aan die gegevens?
• Is daar een experiment voor nodig?
• Ja, hoe moet het experiment eruit zien en
welke grootheden moet ik meten?
• Hoe nauwkeurig moeten de gegevens zijn?
21-11-2012
2
Laboratoriumexperiment
• Getrouwe weergave van (deel van) werkelijkheid
• Dezelfde relevante fysische verschijnselen
• Gecontroleerde omstandigheden
• Beperkte range aan condities mogelijk
• Civieltechnische experimenten vaak op kleinere
schaal
Experimenteren op
schaal
Osborne Reynolds 1883
Ludwig Prandtl 1904
Kelder Oostplantsoen TH-Delft >1932
Wervelingen in ondiep water
21-11-2012
3
Experiment met wervelvorming
achter strekdam
Horizontale snelheden gemeten aan vrij oppervlak
1 m
Dimensieloze kentallen gerelateerd
aan relatief belang fysisch proces
• Waarom belangrijk?
– Fysisch inzicht
– Opstellen vergelijkingen
– Experimenten op schaal
– Plotten van resultaten
• Reynolds: verhouding traagheid-visceuze processes
• Froude: verhouding traagheid-zwaartekracht
• Weber: verhouding traagheid-oppervlaktespanning
Getal van Reynolds
• Stroombeeld (laminair/turbulent) bepaald door
vorm/afmeting voorwerp, snelheid, dichtheid, viscositeit
• Laminair
rustige gladde stroming, verstoringen gedempt door viskeuze effecten
Turbulent
chaos, wervelende stroming, verstoringen versterkt door traagheidseffecten
• Verhouding traagheid-weerstand
2 2 2
Reρ ρ ρ ρτ η η η
≈ = ≡�u u u ul
du dz u l
21-11-2012
4
• Verhouding traagheid-zwaartekracht
• Subkritische stroming (Fr < 1)langzame en diepe stroming
• Superkritische stroming (Fr > 1)snelle en ondiepe stroming (schietend water)
• Stroming in natuur (rivieren, zeeën) overwegend subkritisch
• Superkritische stroming t.g.v. bijv. vloedgolf in bergrivier
Getal van Froude
= uFr
gh
Watersprong
Subkritisch
U klein
h groot
stroming
Superkritisch
U groot
h klein
Getal van Weber
• Verschillende moleculaireaantrekkingskrachten
netto spanning in een grensvlak
• Verhouding traagheid-oppervlaktespanning
• Civiele systemen: l groot �We>>1, uitzonderingen:
rimpels wateroppervlak, capillaireopstijging grondwater
σ σ
hσ
D
2 2ρ ρσ σ
= ≡u u lWe
l
21-11-2012
5
Schaling
• Geometrisch en/of dynamischgelijkvormig
• Afleiding dmv Buckingham’s pi-theorema
Een probleem met I fysische grootheden en J dimensies kan beschreven worden d.m.v. I-J dimensieloze parameters.
MaquetteTU bibliotheek
Golfgoot
Schalingsfactor ni
• Fenomenen verkleind reproduceren
• Geometrische schaal nx=xp/xm
• Wat gebeurt er met het fysische proces?
– Bijv snelheid nu=up/um :
– beschouwen we kinetische energie dan
nu2=up
2/um2
Dimensies
- In een probleem spelen de volgende grootheden een rol. Ga nahoeveel onafhankelijke dimensieloze parameters hieruit gevormdkunnen worden en leid die af.
• Lengte l;
• Massadichtheid ρ;
• Viscositeit η;
• Zwaartekrachtsversnelling g;
• Snelheid U.
- In een stroming over een brede stuw stellen we de afvoer per meter breedte (symbool q en eenheden m3/s/m ofwel m2/s) slechtsafhankelijk van de zwaartekrachtsversnelling (g) en de hoogte van het wateroppervlak in het stuwmeer boven de kruin van de stuw (h). Leidtuit dimensiebeschouwingen af hoe q met h varieert.
21-11-2012
6
Oefening: Gelijkvormigheid
Voor de lange overlaat hebben we de volgende vergelijking afgeleidop basis van de vergelijking van Bernoulli:
a. Maak deze vergelijking dimensieloos.
b. Bepaal welke geometrische en dynamische dimensieloze kentallenvoor deze situatie relevant zijn.
I IIIII energiehoogte
a
IId
Id
2 2
2 22 2+ = + +I II
I II
q qd a d
gd gd
Oefening: Gelijkvormigheid
I IIIII energiehoogte
a
IId
Id
22 2
3 3
* *
12 2
=
+ = + +
=II
I
II I
I I I I II
I
dd
d
d dq a q
gd d d gd d
aa
d
I
G
elen door d enherschrijven :
eometrisch kental 1) : dimensieloze diepte en 2) drempelhoogte
Dynamisch kental 1 :
D
Froude - g
( )
22
123
2I
2* 2 * 2 *1 1
I I2 2
Fr2 2
Fr 1 Fr−
= =
→ + = + −
I
I I
uq
gd gd
d d a
etal
18
Experimental Techniques to measure flows
�Visualisation•dye/ smoke•vanes, wool threads
�Line of sight methods•shadowgraphy/schlieren/interferrometry
�Single point methods•pressure transducers (pitot-tube)•hot-wire anemometry (HWA)•laser Doppler anemometry (LDA)•acoustic Doppler velocimetry (ADV)•electro-magnetic flow meter (EMF)
�Whole field techniques•particle image/tracking velocimetry (PIV/PTV)•laser induced fluorescence (LIF)
21-11-2012
7
Turbulence 5312 19
Pitot tube with manometer
Pressure difference measured as
221 uppgh sTm ρρ =−=
Tp
Sp
Sp
Tpflow
Stagnationpressure
Overlaten
Vierlingh1575(visuele observatie)
Rehbock1931(Pitot-buis)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
0.1
0.2
0.3 Ali2010(LDA)
21
Acoustic Doppler Velocimeter ADV
receivertransmitter
Sampling volume
Flow
receiver
Soundwaves are scattered by small suspended particles that move with the flow.
Doppler shift of scattered sound is proportional to flow velocity.
3D-velocity vector is obtained with 3 receivers.
5 cm
Sampling volume < 0.25 cm3
Sampling frequency = 25 Hz
21-11-2012
8
Turbulence 5312 22
PTV/PIV-example
Pump
PIV-camera
LDA-probeParticledispenser
GridScreens
Inlet diffusor
t0 t0+dt
dt
xv i
i
∆=
23
Instantaneous velocity and concentration fields
t=78 s t=82 s t = 86 s
rivieren
Zomerkade
Krib
Toegangsweg
Dijk
Verhoogd liggend
gebouw
Vegetatie
Bocht
21-11-2012
9
Wervelingen in ondiep water
Experiment met wervelvorming achter strekdam
Horizontale snelheden gemeten aan vrij oppervlak
1 m
Sediment transport
Bed load transport
• Shields parameter drag vs. weight
Suspended load transport
•Rouse parameterSettling vs. mixing
U*
ws
Ψ ���∗���
∆�����∗�
∆��
� ��
��∗
21-11-2012
10
Sedimenttransport (bed load)
Water
Sediment
100 x versneld
Turbulentie met (sediment) deeltjesSuspended load
Breugem
Morphodynamics in lab
and field
flume width 0.6 m
flume length 26 m
21-11-2012
11
31PIV applications
Granular Bed Protections
• Stationary turbulent flow
• Characteristics:
• Hydraulically rough bed
• Low mobility
• Non-uniform flow
• Uniformly sized stones
• Non-equilibrium transport
• What causes the extreme forces
on a stone?
32PIV applications
Bed of stones
Load on particle
33PIV applications
Target stone triggers PIV-system
21-11-2012
12
34PIV applications
Measurements Bas Hofland
• set-up
stone
water surface window
optical rail
camera
mirrors
optics
flume
filter
laser
35PIV applicationsTurbulence 5312 35
PIV Interrogation analysis
Double-exposureimage
Interrogationregion
Spatialcorrelation
RP
RD+RD-
RC+RF
36PIV applications
Result: instantaneous flow fieldRe=80000, 125x125 vectors
Flow structures
21-11-2012
13
37PIV applications
Flow around moving stone
38PIV applications
Seeding with floats
39PIV applications
Experimental set-up, wave basin
21-11-2012
14
40PIV applications
Rip currents in wave basin: Particle
tracking + interpolation
5 m
Filtered velocity field
Time signal at single point
Vel
ocity