Experimental Analysis of Froude Number Effect on Air Entrainment in the Hydraulic Jump

A hydraulic jump is characterized by strong energy dissipation and mixing, large-scale turbulence, air entrainment, waves and spray. Despite recent pertinent studies, the interaction between air bubbles diffusion and momentum transfer is not completely understood. The objective of this paper is to present experimental results from new measurements performed in rectangular horizontal flume with partially-developed inflow conditions. The vertical distributions of void fraction and air bubbles count rate were recorded for inflow Froude number Fr1 in the range from 5.2 to 14.3. Rapid detrainment process was observed near the jump toe, whereas the structure of the air diffusion layer was clearly observed over longer distances. These new data were compared with previous data generally collected at lower Froude numbers. The comparison demonstrated that, at a fixed distance from the jump toe, the maximum void fraction Cmax increases with the increasing Fr1. The vertical locations of the maximum void fraction and bubble count rate were consistent with previous studies. Finally, an empirical correlation between the upper boundary of the air diffusion layer and the distance from the impingement point was provided.

Flow regime prediction via froude number calculation in a rock-bedded stream

Mathematical predictions of flow conditions along a steep gradient rock bedded stream are examined. Stream gage discharge data and Manning's Equation are used to calculate alternative velocities, and subsequently Froude Numbers, assuming varying values of velocity coefficient, full depth or depth adjusted for vertical flow separation. Comparison of the results with photos show that Froude Numbers calculated from velocities derived from Manning's Equation, assuming a velocity coefficient of 1.30 and full depth, most accurately predict flow conditions, when supercritical flow is defined as Froude Number values above 0.84. Calculated Froude Number values between 0.8 and 1.1 correlate well with observed transitional flow, defined as the first appearance of small diagonal waves. Transitions from subcritical through transitional to clearly supercritical flow are predictable. Froude Number contour maps reveal a sinuous rise and fall of values reminiscent of pool riffle energy distribution.

Effect of obesity onset on pendular energy transduction at spontaneous walking speed: Prader-Willi versus nonsyndromal obese individuals.

OBJECTIVE: To compare the mechanical external work (Wext ) and pendular energy transduction (Rstep ) at spontaneous walking speed (Ss ) in individuals with Prader-Willi syndrome (PWS) versus subjects with nonsyndromal obesity (OB) to investigate whether the early onset of obesity allows PWS subjects to adopt energy conserving gait mechanics. DESIGN AND METHODS: Wext and Rstep were computed using kinematic data acquired by an optoelectronic system and compared in 15 PWS (BMI = 39.5 ± 1.8 kg m(-2) ; 26.7 ± 1.5 year) and 15 OB (BMI = 39.3 ± 1.0 kg m(-2) ; 28.7 ± 1.9 year) adults matched for gender, age and BMI and walking at Ss . RESULTS: Ss was significantly lower in PWS (0.98 ± 0.03 m s(-1) ) than in OB (1.20 ± 0.02 m s(-1) ; P < 0.001). There were no significant differences in Wext per kilogram between groups (PWS: 0.37 ± 0.04 J kg(-1) m(-1) ; OB: 0.40 ± 0.05 J kg(-1) m(-1) ; P = 0.66) and in Rstep (PWS: 69.9 ± 2.9%; OB: 67.7 ± 2.4%; P = 0.56). However, Rstep normalized to Froude number (Rstep /Fr) was significantly greater in PWS (6.0 ± 0.6) than in OB (3.8 ± 0.2; P = 0.001). Moreover, Rstep /Fr was inversely correlated with age of obesity onset (r = -0.49; P = 0.006) and positively correlated with obesity duration (r = 0.38; P = 0.036). CONCLUSION: Individuals with PWS seem to alter their gait to improve pendular energy transduction as a result of precocious and chronic adaptation to loading.

Effect of an ectoparasite on reproduction in great tits.

1. The effect of a haematophageous ectoparasite, the hen flea, on quality an number of offspring was experimentally investigated in the great tit. The experiment consisted of a controlled infestation of a random sample of nests with the parasitic flea and of a regular treatment of control nests with Microwaves in order to eliminate the naturally occurring fleas. 2. To assess the effects of fleas on variables related to offspring number, we considered the number of hatchlings and fledglings, the mortality between hatching and fledging, and the hatching and fledging success. For assessment of offspring quality, we measured body mass, tarsus and wing length, and calculated the nutritional condition of, nestlings as the ratio of body mass to tarsus length. A physiological variable, the haematocrit level, was also measured. 3. Hatching success and hatchling numbers did not differ between the two experimental groups. Offspring mortality between hatching and fledging was significantly higher in the infested broods (xBAR = 0.22 chicks dead per day) than in the parasite-free broods (xBAR = 0.07 dead per day). Fledging success was 83% in the parasite-free broods, but only 53% in the infested ones. The number of fledglings in infested broods (xBAR = 3.7 fledglings +/-2.1 SD) was significantly lower than in the parasite-free (xBAR = 4.9 +/- 1.1 SD) broods. 4. Body mass of chicks in the infested broods was significantly smaller than in the parasite-free broods both 14 days and 17 days after hatching. The chicks in the infested broods reached a significantly smaller tarsus length than the ones in the parasite-free broods. Close to fledging, the nutritional condition of chicks was significantly lower in infested broods. Haematocrit levels were significantly lower in the infested broods. 5. Brood size correlated differently with body mass and condition of chicks in infested and parasite-free nests. In parasite-free broods both body mass and condition of chicks at age 17 days, i.e. close to fledging, were significantly higher in small broods than in large ones. However, in the infested broods chicks were of the same body mass and condition in large as in small broods. Therefore, in parasite-free broods fitness can potentially be gained through offspring quality or number or both, whereas in infested broods it can be gained through offspring quantity only. In other words, a trade-off between quality and number of offspring is feasible only in the absence of the parasitic hen flea. 6. These results emphasize the need to study the effects of ectoparasites on ecological, behavioural and evolutionary traits of their bird hosts. A knowledge of these effects is essential for the understanding of population dynamics, behaviour and life-history traits of the hosts.

Mathematical Modelling of the Dynamics of Granular Materials in a Rotating Cylinder

The current study is aimed at the development of a theoretical simulation tool based on Discrete Element Method (DEM) to 'interpret granular dynamics of solid bed in the cross section of the horizontal rotating cylinder at the microscopic level and subsequently apply this model to establish the transition behaviour, mixing and segregation.The simulation of the granular motion developed in this work is based on solving Newton's equation of motion for each particle in the granular bed subjected to the collisional forces, external forces and boundary forces. At every instant of time, the forces are tracked and the positions velocities and accelarations of each partcle is The software code for this simulation is written in VISUAL FORTRAN 90 After checking the validity of the code with special tests, it is used to investigate the transition behaviour of granular solids motion in the cross section of a rotating cylinder for various rotational speeds and fill fraction.This work is hence directed towards a theoretical investigation based on Discrete Element Method (DEM) of the motion of granular solids in the radial direction of the horizontal cylinder to elucidate the relationship between the operating parameters of the rotating cylinder geometry and physical properties ofthe granular solid.The operating parameters of the rotating cylinder include the various rotational velocities of the cylinder and volumetric fill. The physical properties of the granular solids include particle sizes, densities, stiffness coefficients, and coefficient of friction Further the work highlights the fundamental basis for the important phenomena of the system namely; (i) the different modes of solids motion observed in a transverse crosssection of the rotating cylinder for various rotational speeds, (ii) the radial mixing of the granular solid in terms of active layer depth (iii) rate coefficient of mixing as well as the transition behaviour in terms of the bed turnover time and rotational speed and (iv) the segregation mechanisms resulting from differences in the size and density of particles.The transition behaviour involving its six different modes of motion of the granular solid bed is quantified in terms of Froude number and the results obtained are validated with experimental and theoretical results reported in the literature The transition from slumping to rolling mode is quantified using the bed turnover time and a linear relationship is established between the bed turn over time and the inverse of the rotational speed of the cylinder as predicted by Davidson et al. [2000]. The effect of the rotational speed, fill fraction and coefficient of friction on the dynamic angle of repose are presented and discussed. The variation of active layer depth with respect to fill fraction and rotational speed have been investigated. The results obtained through simulation are compared with the experimental results reported by Van Puyvelde et. at. [2000] and Ding et at. [2002].The theoretical model has been further extended, to study the rmxmg and segregation in the transverse direction for different particle sizes and their size ratios. The effect of fill fraction and rotational speed on the transverse mixing behaviour is presented in the form of a mixing index and mixing kinetics curve. The segregation pattern obtained by the simulation of the granular solid bed with respect to the rotational speed of the cylinder is presented both in graphical and numerical forms. The segregation behaviour of the granular solid bed with respect to particle size, density and volume fraction of particle size has been investigated. Several important macro parameters characterising segregation such as mixing index, percolation index and segregation index have been derived from the simulation tool based on first principles developed in this work.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

A Study On The Flow Characteristics Influenced By Hydraulic Structure At A Channel Junction

Natural riversare consisting of various networks as junction andstreams. And sediment and erosion are occurred by specific stream condition. When flood season,large discharge flew in the river and river bed changed by high flow velocity. Especially junction area’s flow characteristics are very complex. The purpose of this study is to analyze the flow characteristics in channel junction, which are most influenced by large discharge like flooding and input water from tributary. We investigate the flow characteristics by using hydrodynamics and transport module in MIKE 3 FM. MIKE 3 FM model was helpful tool to analysis 3D hydrodynamics, erosion and sediment effect from channel bed. We analyze flow characteristics at channel junction. Also we consider hydraulic structures like a bridge pier which is influencing flow characteristics like a flow velocity, water level, erosion and scour depth in channel bed. In the model, we controlled discharge condition according to Froude Number and reflect various grain diameter size and flow ratio change in main stream and tributary. In the result, flow velocity, water level, erosion and sediment depth are analyzed. Additionally, we suggest a these result relationship with equations. This study will help the understand flow characteristics and influence of hydraulic structure in channel junction. Acknowledgments This research was supported by a grant (12-TI-C01) from Advanced Water Management Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

Análise hidrodinâmica e morfodinâmica do complexo estuarino do Rio Piranhas-Açu/RN, Nordeste do Brasil

The aim of this study was the seasonal characterization of the morphology, sedimentology and hydrodynamic of the Açu, Cavalos and Conchas estuaries. These estuaries are inserted in a semi-arid climate area and form the mouth of the hydrographic basin of the Piranhas-Açu river, that represent the discharge of the largest watershed in the state. They are embedded in an environment consisting of a fluvial-marine floodplain, mangrove ecosystem, sandbanks, fields of dunes, spits and sandy beaches. Adjacent to the natural units are the main local socioeconomic activities (oil industry, salt industry, shrimp farming, fishing and tourism) are dependent on this river and its conservation. The environmental monitoring is necessary because it is an area under constant action of coastal processes and at high risk of oil spill. The acquisition and interpretation of hydrodynamic, sonographic and sediment data was conducted in two campaigns, dry season (2010) and rainy season (2011), using respectively the current profiler ADCP Doppler effect, the side-scan sonar and Van Veen sampler. In these estuaries: Açu, Cavalos and Conchas were identified the following types of bedforms: flatbed and Dunes 2-D and 3-D (small to medium size), generated at lower flow regime (Froude number <1). Structures such as ripples were observed in the Açu estuary mouth. The higher values of flow discharge and velocity were recorded in the Açu estuary (434,992 m³.s-¹ and 0,554 m.s-¹). In rainy season, despite the record of highest values of discharge and flow velocities at the mouth, the energy rates upstream did not differ much from the data of the dry season. However, in all estuaries were recorded an increase in speed and flow, with reservation to the flow in the Açu estuary and flow at the mouth of the Conchas estuary. Sediment grain sizes tend to increase towards the mouth of the estuary and these ranged from very fine sand to very coarse sand, medium sand fraction being the most recurrent. Based on the data acquired and analyzed, the estuaries Açu, Cavalos and Conchas are classified as mixed , dominated by waves and tides. According to their morphology, they are classified as estuaries constructed by bar and according to the classification by salinity, estuaries Conchas and Cavalos were ranked as hypersaline estuaries, and Açu as hypersaline and vertically well mixed type C

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Two-Phase Flow In Microchannels: Morphology And Interface Phenomena

The existence and morphology, as well as the dynamics of micro-scale gas-liquid interfaces is investigated numerically and experimentally. These studies can be used to assess liquid management issues in microsystems such as PEMFC gas flow channels, and are meant to open new research perspectives in two-phase flow, particularly in film deposition on non-wetting surfaces. For example the critical plug volume data can be used to deliver desired length plugs, or to determine the plug formation frequency. The dynamics of gas-liquid interfaces, of interest for applications involving small passages (e.g. heat exchangers, phase separators and filtration systems), was investigated using high-speed microscopy - a method that also proved useful for the study of film deposition processes. The existence limit for a liquid plug forming in a mixed wetting channel is determined by numerical simulations using Surface Evolver. The plug model simulate actual conditions in the gas flow channels of PEM fuel cells, the wetting of the gas diffusion layer (GDL) side of the channel being different from the wetting of the bipolar plate walls. The minimum plug volume, denoted as critical volume is computed for a series of GDL and bipolar plate wetting properties. Critical volume data is meant to assist in the water management of PEMFC, when corroborated with experimental data. The effect of cross section geometry is assessed by computing the critical volume in square and trapezoidal channels. Droplet simulations show that water can be passively removed from the GDL surface towards the bipolar plate if we take advantage on differing wetting properties between the two surfaces, to possibly avoid the gas transport blockage through the GDL. High speed microscopy was employed in two-phase and film deposition experiments with water in round and square capillary tubes. Periodic interface destabilization was observed and the existence of compression waves in the gas phase is discussed by taking into consideration a naturally occurring convergent-divergent nozzle formed by the flowing liquid phase. The effect of channel geometry and wetting properties was investigated through two-phase water-air flow in square and round microchannels, having three static contact angles of 20, 80 and 105 degrees. Four different flow regimes are observed for a fixed flow rate, this being thought to be caused by the wetting behavior of liquid flowing in the corners as well as the liquid film stability. Film deposition experiments in wetting and non-wetting round microchannels show that a thicker film is deposited for wetting conditions departing from the ideal 0 degrees contact angle. A film thickness dependence with the contact angle theta as well as the Capillary number, in the form h_R ~ Ca^(2/3)/ cos(theta) is inferred from scaling arguments, for contact angles smaller than 36 degrees. Non-wetting film deposition experiments reveal that a film significantly thicker than the wetting Bretherton film is deposited. A hydraulic jump occurs if critical conditions are met, as given by a proposed nondimensional parameter similar to the Froude number. Film thickness correlations are also found by matching the measured and the proposed velocity derived in the shock theory. The surface wetting as well as the presence of the shock cause morphological changes in the Taylor bubble flow.

Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.

Pendant drop formation of shear-thinning and yield stress fluids

A volume-of-fluid numerical method is used to predict the dynamics of shear-thinning liquid drop formation in air from a circular orifice. The validity of the numerical calculation is confirmed for a Newtonian liquid by comparison with experimental measurements. For particular values of Weber number and Froude number, predictions show a more rapid pinch-off, and a reduced number of secondary droplets, with increasing shear-thinning. Also a minimum in the limiting drop length occurs for the smallest Weber number as the zero-shear viscosity is varied. At the highest viscosity, the drop length is reduced due to shear-thinning, whereas at lower viscosities there is little effect of shear-thinning. The evolution of predicted drop shape, drop thickness and length, and the configuration at pinch-off are discussed for shear-thinning drops. The evolution of a drop of Bingham yield stress liquid is also considered as a limiting case. In contrast to the shear-thinning cases, it exhibits a plug flow prior to necking, an almost step-change approach to pinch-off of a torpedo shaped drop following the onset of necking, and a much smaller neck length; no secondary drops are formed. The results demonstrate the potential of the numerical model as a design tool in tailoring the fluid rheology for controlling drop formation behaviour. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Modelling vortex formation in an unbaffled stirred tank reactors

Agitating liquids in unbaffled stirred tank leads to the formation of a vortex in the region of the impeller shaft when operating in the turbulent flow regime. A numerical model is presented here that captures such a vortex. The volume of fluid model, a multiphase flow model was employed in conjunction with a multiple reference frame model and the shear stress turbulence model. The dimensions of the tank considered here, were 0.585 m for the liquid depth and tank diameter with a 0.2925 m diameter impeller at a height of 0.2925 m. The impeller considered was an eight-bladed paddle type agitator that was rotating with an angular velocity of 7.54 rad s (72 rpm) giving a Reynolds number of 10 and Froude number of 0.043. Preliminary results of a second investigation into the effect of liquid phase properties on the vortex formed are also presented. © 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Stepped and smooth spillways: resistance effects on stilling basin lengths

The Darcy-Weisbach equation was used in the analysis of flow over spillways, furnishing theoretical tools to design stilling basins. Predictions for the length of hydraulic jump stilling basins downstream of stepped and smooth spillways are presented, together with ranges of values for the Darcy-Weisbach friction factor of both spillways. The experimental data were compared with results of the theoretical solution of the gradually varied flow equation. All comparisons were made in non-dimensional form. The values of the Darcy-Weisbach friction factor were roughly five times smaller for smooth spillways than for stepped spillways. The theoretical predictions and the experimental data allow to present approximate equations for a preliminary evaluation of the length and the bed level of hydraulic jump stilling basins. In the same way, approximate equations were presented for the evaluation of the friction factor in smooth and stepped spillways, as a function of the Froude number at the downstream cross-section.

Turbulence in Hydraulic Jumps: Experimental Measurements

A hydraulic jump is the transition from a supercritical open channel flow to a subcritical regime. It is characterised by a highly turbulent flow with macro-scale vortices, some kinetic energy dissipation and a bubbly two-phase flow structure. New air-water flow measurements were performed in hydraulic jump flows for a range of inflow Froude numbers. The experiments were conducted in a large-size facility using two types of phase-detection intrusive probes: i.e., single-tip and double-tip conductivity probes. These were complemented by some measurements of free-surface fluctuations using ultrasonic displacement meters. The present study was focused on the turbulence characteristics of hydraulic jumps with partially-developed inflow conditions. The void fraction measurements showed the presence of an advective diffusion shear layer in which the void fractions profiles matched closely an analytical solution of the advective diffusion equation for air bubbles. The present results highlighted some influence of the inflow Froude number onto the air bubble entrainment process. At the largest Froude numbers, the advected air bubbles were more thoroughly dispersed vertically, and larger amount of air bubbles were detected in the turbulent shear layer. In the air-water mixing layer, the maximum void fraction and bubble count rate data showed some longitudinal decay function in the flow direction. Such trends were previously reported in the literature. The measurements of interfacial velocity and turbulence level distributions provided new information on the turbulent velocity field in the highly-aerated shear region. The present data suggested some longitudinal decay of the turbulence intensity. The velocity profiles tended to follow a wall jet flow pattern. The air–water turbulent time and length scales were deduced from some auto- and cross-correlation analyses based upon the method of CHANSON (2006,2007). The results provided the integral turbulent time and length scales of the eddy structures advecting the air bubbles in the developing shear layer. The experimental data showed that the auto-correlation time scale Txx was larger than the transverse cross-correlation time scale Txz. The integral turbulence length scale Lxz was a function of the inflow conditions, of the streamwise position (x-x1)/d1 and vertical elevation y/d1. Herein the dimensionless integral turbulent length scale Lxz/d1 was closely related to the inflow depth: i.e., Lxz/d1 = 0.2 to 0.8, with Lxz increasing towards the free-surface. The free-surface fluctuations measurements showed large turbulent fluctuations that reflected the dynamic, unsteady structure of the hydraulic jumps. A linear relationship was found between the normalized maximum free-surface fluctuation and the inflow Froude number.