Dynamic drag modeling of submerged aquatic vegetation canopy flows

Vegetation has a profound effect on flow and sediment transport processes in natural rivers, by increasing both skin friction and form drag. The increase in drag introduces a drag discontinuity between the in-canopy flow and the flow above, which leads to the development of an inflection point in the velocity profile, resembling a free shear layer. Therefore, drag acts as the primary driver for the entire canopy system. Most current numerical hydraulic models which incorporate vegetation rely either on simple, static plant forms, or canopy-scaled drag terms. However, it is suggested that these are insufficient as vegetation canopies represent complex, dynamic, porous blockages within the flow, which are subject to spatially and temporally dynamic drag forces. Here we present a dynamic drag methodology within a CFD framework. Preliminary results for a benchmark cylinder case highlight the accuracy of the method, and suggest its applicability to more complex cases.

The role of tributary relative timing and sequencing in controlling large floods

Hydrograph convolution is a product of tributary inputs from across the watershed. The time-space distribution of precipitation, the biophysical processes that control the conversion of precipitation to runoff and channel flow conveyance processes, are heterogeneous and different areas respond to rainfall in different ways. We take a subwatershed approach to this and account for tributary flow magnitude, relative timing, and sequencing. We hypothesize that as the scale of the watershed increases so we may start to see systematic differences in subwatershed hydrological response. We test this hypothesis for a large flood (T >100 years) in a large watershed in northern England. We undertake a sensitivity analysis of the effects of changing subwatershed hydrological response using a hydraulic model. Delaying upstream tributary peak flow timing to make them asynchronous from downstream subwatersheds reduced flood magnitude. However, significant hydrograph adjustment in any one subwatershed was needed for meaningful reductions in stage downstream, although smaller adjustments in multiple tributaries resulted in comparable impacts. For larger hydrograph adjustments, the effect of changing the timing of two tributaries together was lower than the effect of changing each one separately. For smaller adjustments synergy between two subwatersheds meant the effect of changing them together could be greater than the sum of the parts. Thus, this work shows that while the effects of modifying biophysical catchment properties diminishes with scale due to dilution effects, their impact on relative timing of tributaries may, if applied in the right locations, be an important element of flood management.

Acting, predicting and intervening in a socio-hydrological world

This paper asks a simple question: if humans and their actions co-evolve with hydrological systems (Sivapalan et al., 2012), what is the role of hydrological scientists, who are also humans, within this system? To put it more directly, as traditionally there is a supposed separation of scientists and society, can we maintain this separation as socio-hydrologists studying a socio-hydrological world? This paper argues that we cannot, using four linked sections. The first section draws directly upon the concern of science-technology studies to make a case to the (socio-hydrological) community that we need to be sensitive to constructivist accounts of science in general and socio-hydrology in particular. I review three positions taken by such accounts and apply them to hydrological science, supported with specific examples: (a) the ways in which scientific activities frame socio-hydrological research, such that at least some of the knowledge that we obtain is constructed by precisely what we do; (b) the need to attend to how socio-hydrological knowledge is used in decision-making, as evidence suggests that hydrological knowledge does not flow simply from science into policy; and (c) the observation that those who do not normally label themselves as socio-hydrologists may actually have a profound knowledge of socio-hydrology. The second section provides an empirical basis for considering these three issues by detailing the history of the practice of roughness parameterisation, using parameters like Manning's n, in hydrological and hydraulic models for flood inundation mapping. This history sustains the third section that is a more general consideration of one type of socio-hydrological practice: predictive modelling. I show that as part of a socio-hydrological analysis, hydrological prediction needs to be thought through much more carefully: not only because hydrological prediction exists to help inform decisions that are made about water management; but also because those predictions contain assumptions, the predictions are only correct in so far as those assumptions hold, and for those assumptions to hold, the socio-hydrological system (i.e. the world) has to be shaped so as to include them. Here, I add to the ``normal'' view that ideally our models should represent the world around us, to argue that for our models (and hence our predictions) to be valid, we have to make the world look like our models. Decisions over how the world is modelled may transform the world as much as they represent the world. Thus, socio-hydrological modelling has to become a socially accountable process such that the world is transformed, through the implications of modelling, in a fair and just manner. This leads into the final section of the paper where I consider how socio-hydrological research may be made more socially accountable, in a way that is both sensitive to the constructivist critique (Sect. 1), but which retains the contribution that hydrologists might make to socio-hydrological studies. This includes (1) working with conflict and controversy in hydrological science, rather than trying to eliminate them; (2) using hydrological events to avoid becoming locked into our own frames of explanation and prediction; (3) being empirical and experimental but in a socio-hydrological sense; and (4) co-producing socio-hydrological predictions. I will show how this might be done through a project that specifically developed predictive models for making interventions in river catchments to increase high river flow attenuation. Therein, I found myself becoming detached from my normal disciplinary networks and attached to the co-production of a predictive hydrological model with communities normally excluded from the practice of hydrological science.

Flow resistance equations for mountain rivers

Three models of flow resistance (a Keulegan-type logarithmic law and two models developed for large-scale roughness conditions: the full logarithmic law and a model based on an inflectional velocity profile) were calibrated, validated and compared using an extensive database (N = 1,533) from rivers and flumes, representative of a wide hydraulic and geomorphologic range in the field of gravel-bed and mountain channels. It is preferable to apply the model based on an inflectional velocity profile in the relative submergence (y/d90) interval between 0.5 and 15, while the full logarithmic law is preferable for values below 0.5. For high relative submergence, above 15, either the logarithmic law or the full logarithmic law can be applied. The models fitted to the coarser percentiles are preferable to those fitted to the median diameter, owing to the higher explanatory power achieved by setting a model, the smaller difference in the goodness-of-fit between the different models and the lower influence of the origin of the data (river or flume).

Predicción de la resistencia al flujo en ríos de montaña

Se han calibrado, validado y comparado tres modelos de resistencia al flujo de contorno granular: un modelo potencial y otros dos modelos desarrollados para condiciones de alta rugosidad relativa (uno basado en una modificación de la ley logarítmica de Prandtl-von Karman y otro fundamentado en un perfil de velocidad configurado en dos zonas: una uniforme en las proximidades de los elementos de rugosidad y otra superior que sigue una distribución logarítmica). Se ha empleado para ello un numeroso conjunto de 1.533 datos tomados en ríos y en canales de laboratorio, representativo de un amplio intervalo hidráulico y geomorfológico en el ámbito de ríos de grava y de montaña. Han resultado preferibles las ecuaciones ajustadas con los percentiles granulométricos mayores (d90 o d84) que las ajustadas con el diámetro mediano (d50), debido a la mayor capacidad explicativa alcanzada dado un modelo, la menor diferencia en la bondad de ajuste entre los diferentes modelos y la menor influencia del origen de los datos (río o canal de laboratorio). Las ecuaciones ajustadas de acuerdo con los modelos en donde se contemplan condiciones de alta rugosidad relativa presentan predicciones similares, exceptuando el intervalo macrorrugoso (y/d90 < 1), en el que es preferible la correspondiente al modelo fundamentado en el perfil de velocidad configurado en dos zonas. Se recomienda restringir la aplicación de la ecuación ajustada con arreglo a la ley potencial al intervalo de y/d90 comprendido entre uno y veinte, puesto que fuera de dicho intervalo tiende a infraestimar notablemente la resistencia al flujo.

Equivalent roughness of gravel-bed rivers

The relation between the equivalent roughness and different grain size percentiles of the sediment in gravel-bed rivers was determined under the hypothesis that the vertical distribution of the flow velocity follows a logarithmic law. A set of 954 data points was selected from rivers with gravel size sediment or larger, with a non-sinuous alignment and free of vegetation or obstacles. According to the results, the ks roughness is equivalent to approximately 2.4D90, 2.8D84, and 6.1D50. No correlation was detected between the sediment sorting and the sediment mobility index on one hand, and, on the other, the coefficient of proportionality of each grain size percentile.

Enzymatic technology to improve oil extraction from Caryocar brasiliense camb. (Pequi) Pulp.

The present study aims to compare yield and quality of pequi pulp oil when applying two distinct processes: in the first, pulp drying in a tray dryer at 60ºC was combined with enzymatic treatment and pressing to oil extraction; in the second, a simple process was carried out by combining sun-drying pulp and pressing. In this study, raw pequi fruits were collected in Mato Grosso State, Brazil. The fruits were autoclaved at 121ºC and stored under refrigeration. An enzymatic extract with pectinase and CMCase activities was used for hydrolysis of pequi pulp, prior to oil extraction. The oil extractions were carried out by hydraulic pressing, with or without enzymatic incubation. The oil content in the pequi pulp (45% w/w) and the physicochemical characteristic of the oil was determined according to standard analytical methods. Free fatty acids, peroxide values, iodine and saponification indices were respectively 1.46 mgKOH/g, 2.98 meq/kg, 49.13 and 189.40. The acidity and peroxide values were lower than the obtained values in commercial oil samples, respectively 2.48 mgKOH/g and 5.22 meq/kg. Aqueous extraction has presented lower efficiency and higher oxidation of unsaturated fatty acids. On the other hand, pequi pulp pressing at room temperature has produced better quality oil. However its efficiency is still smaller than the combined enzymatic treatment and pressing process. This combined process promotes cellular wall hydrolysis and pulp viscosity reduction, contributing to at least 20% of oil yield increase by pressing.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

25-years of biomonitoring in two mediterranean streams (Llobregat and Besos basins, NE Spain)

Biological water quality changes in two Mediterranean river basins from a network of 42 sampling sites assessed since 1979 are presented. In order to characterize the biological quality, the index FBILL, designed to characterize these rivers" quality using aquatic macroinvertebrates, is used. When comparing the data from recent years to older ones, only two headwater sites from the 42 had improved their water quality to good or very good conditions. In the middle or low river basin sites or even in headwater localities were river flow is reduced, the important investment to build up sewage water treatment systems and plants (more than 70 in 15 years) allowed for a small recovery from poor or very poor conditions to moderate water quality. Nevertheless still a significant number (25 %) of the localities remain in poor conditions. The evolution of the quality in several points of both basins shows how the main problems for the recovery of the biological quality is due to the water diverted for small hydraulic plants, the presence of saline pollution in the Llobregat River, and the insufficient water depuration. In the smaller rivers, and specially the Besòs the lack of dilution flows from the treatment plants is the main problem for water quality recovery.

Pumpunvalitsimet integroidussa simulointiympäristössä

Työssä on tutkittu pumpun valintaa integroidussa simulointiympäristössä. Tutkimuksen avulla on tarkoitus kehittää tieto- ja malligallerian (Galleria) infrastuktuuria ja käytössä olevia työvälineitä siihen suuntaan, että ulkoisten valitsinkomponenttien implementoiminen Gallerian tietokantaan olisi lähitulevaisuudessa helppoa ja nopeaa. Prosessi-integraation tieto- ja malligalleria on infrastruktuurimäärittely ja työvälineistö prosessikomponenttien ja osaprosessien simulointiin tarvittavien malli- ja parametritietojen kirjastoimiseksi internetpohjaiseen tietokantaan, josta ne ovat simulointiohjelmien käyttäjien ja muiden prosessisuunnittelijoiden helposti saatavilla. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on keskitytty tutkimaan pumpun valinnan etenemistä ja valintaan vaikuttavia tekijöitä prosessisuunnittelijan näkökulmasta. Tutkimuksen soveltavassa osassa luotiin pumpunvalitsin ja sitä testattiiin Galleria- ympäristöä vastaavassa kehitysympäristössä. Pumpunvalitsimen kehittämisessä on käytetty apuna laitevalmistajalta saatua prosessikomponenttitietoa. Pumpunvalitsimen toteutus perustuu pumpun hydrauliseen valintaan ja esimerkkitapauksena käytettiin keskipakopumppua

Ilmatorjuntaohjuksen laukaisualustan vaaitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli vaaitusjärjestelmän kehittäminen ITO 2005 Asrad-R –ohjusjärjestelmän laukaisualustalle. Järjestelmäkontin jokaiseen kulmaan suunniteltiin nostojalat, joita voitiin kääntää sekä nostaa ja laskea hydraulisesti. Järjestelmään kuului myös hydraulikäyttöinen asetaso, jonka ylä- ja ala-asennoilla oli erillinen lukitus. Tärkein vaadittu toiminto oli järjestelmäkontin vaaitus maan vetovoiman suhteen epätasaisella alustalla sekä maastossa että kuorma-auton päällä. Lisäksi tarvittiin nostojalkojen nostoliikkeelle toiminto, jolla konttia nostetaan ja lasketaan siten, että se säilyttää lähtökulmansa. Kaikkia nostojalkojen sylintereitä oli mahdollista käyttää myös yksittäin. Järjestelmällä oli kovat ympäristövaatimukset, koska se oli suunniteltu sotalaitteeksi rauhan ja kriisin aikaista toimintaa varten. Riittävät vapausasteet järjestelmän toimimiseksi ajoneuvon apurungon päällä saatiin nostojalkojen rotaatioliikkeen joustosta ja tassujen liukumisesta poikittain apurungon kiinnikkeissä. Maastossa nostojalat olivat täysin jäykkiä ja liukuminen tapahtui tassujen ja maalevyjen välillä. Hydraulijärjestelmässä käytettiin on/off-magneettiventtiilejä, koska liikkeet olivat hitaita ja vaadittuun tarkkuuteen ja nopeuteen päästiin helposti. Keskeisiä suunnittelun lähtökohtia olivat rakenteiden keveys, järjestelmän yksinkertaisuus, hinta ja toimintavarmuus. Yksinkertaisella ja edullisella järjestelmällä saatiin aikaan hyvin toimiva ratkaisu.

Euron käyttöönoton hallinta keskisuuressa yrityksessä

Työn tavoitteena oli laatia euron käyttöönottosuunnitelma. Ensin selvitettiin euron syntyvaiheet ja yhteisen valuutan käsittelysäännöt. Sen jälkeen käydään läpi eräs käyttökelpoinen suunnitelma euron käyttöönottamiseksi, johon kuuluu euron käyttöönoton and speed up the implementation of external selection components. Model and Parametrisation Gallery for Process Integration is specification of an infrastructure and a set of tools which are built for storing process component and model library data into an internet based database from where it can be easily used by simulator users and other process designers. This work consists of two parts. In the literature survey pump selection and the factors that affects selection particularly on process designers point of view are studied. In the applied part a pump selector was created and tested in the test environment which is comparable to Gallery environment. This was done to ease the deployment of the selector to the actual working environment. Process component data of a manufacturer was used on the development of the pump selector. The execution of the selector is based on the hydraulic selection of pumps. Centrifugal pump was used as an example case.

Trimmerin kapasiteetin kasvattaminen dynamiikan mallinnuksen avulla

Työn tavoitteena oli kasvattaa sahan dimensiolaitoksella käytettävän trimmerin rakenteellista kapasiteettia. Tavoitteeseen pyrittiin modernisoimalla trimmerin teräyksikköä käyttävää toimilaite ja teräyksikön säätö dynamiikan mallinnuksen avulla. Trimmerin teräyksikön dynamiikka mallinnettiin MATLAB-matematiikkaohjelmistolla kaksiulotteisena kinematiikkamallina ja kolmeulotteisena kinetiikkamallina. Dynamiikkamallien tulosten perusteella valittin teräyksikköä käyttävä toimilaite komponentteineen. Kinetiikkamalliin mallinnettiin trimmeriä käyttävä hydraulipiiri valittuine komponentteineen keskittyneiden paineiden ja puoliempiirisen mallinnuksen periaatteita käyttäen. Teräyksikön työkiertoa säätämään mallinnettiin suljettu takaisinkytketty säätöpiiri. Tuloksien perusteella valittiin optimaalinen toimilaitteen asemointigeometria ja todettiin mallinnetun järjestelmän täyttävän asetetut vaatimukset. Järjestelmää testattiin muuttamalla jarjestelman parametreja ja tutkimalla muutosten vaikutuksia jarjestelman toimintaan. Lisaksi tutkittiin lyhyesti terayksikon rakenteen keventamisen vaikutuksia.