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.

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.

Scale-up of mixer granulators for effective liquid distribution

There is considerable anecdotal evidence from industry that poor wetting and liquid distribution can lead to broad granule size distributions in mixer granulators. Current scale-up scenarios lead to poor liquid distribution and a wider product size distribution. There are two issues to consider when scaling up: the size and nature of the spray zone and the powder flow patterns as a function of granulator scale. Short, nucleation-only experiments in a 25L PMA Fielder mixer using lactose powder with water and HPC solutions demonstrated the existence of different nucleation regimes depending on the spray flux Psi(a)-from drop-controlled nucleation to caking. In the drop-controlled regime at low Psi(a) values. each drop forms a single nucleus and the nuclei distribution is controlled by the spray droplet size distribution. As Psi(a) increases, the distribution broadens rapidly as the droplets overlap and coalesce in the spray zone. The results are in excellent agreement with previous experiments and confirm that for drop-controlled nucleation. Psi(a) should be less than 0.1. Granulator flow studies showed that there are two powder flow regimes-bumping and roping. The powder flow goes through a transition from bumping to roping as impeller speed is increased. The roping regime gives good bed turn over and stable flow patterns. This regime is recommended for good liquid distribution and nucleation. Powder surface velocities as a function of impeller speed were measured using high-speed video equipment and MetaMorph image analysis software, Powder surface velocities were 0.2 to 1 ms(-1)-an order of magnitude lower than the impeller tip speed. Assuming geometrically similar granulators, impeller speed should be set to maintain constant Froude number during scale-up rather than constant tip speed to ensure operation in the roping regime. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

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.

Runoff and sediment transport in a degraded area

Gully erosion occurs by the combined action of splash, sheetwash and rill-wash (interrill and rill erosion). These erosion processes have a great capacity for both sediment production and sediment transport. The objectives of this experiment were to evaluate hydrological and sediment transport in a degraded area, severely dissected by gullies; to assess the hydraulic flow characteristics and their aggregate transport capacity; and to measure the initial splash erosion rate. In the study area in Guarapuava, State of Paraná, Brazil (lat 25º 24' S; long 51º24' W; 1034 m asl), the soil was classified as Cambissolo Húmico alumínico, with the following particle-size composition: sand 0.116 kg kg-1; silt 0.180 kg kg-1; and clay 0.704 kg kg-1. The approach of this research was based on microcatchments formed in the ground, to study the hydrological response and sediment transport. A total of eight rill systems were simulated with dry and wet soil. An average rainfall of 33.7 ± 4.0 mm was produced for 35 to 54 min by a rainfall simulator. The equipment was installed, and a trough was placed at the end of the rill to collect sediments and water. During the simulation, the following variables were measured: time to runoff, time to ponding, time of recession, flow velocity, depth, ratio of the initial splash and grain size. The rainsplash of dry topsoil was more than twice as high as under moist conditions (5 g m-2 min-1 and 2 g m-2 min-1, respectively). The characteristics of the flow hydraulics indicate transition from laminar to turbulent flow [Re (Reynolds number) 1000-2000]. In addition, it was observed that a flow velocity of 0.12 m s-1 was the threshold for turbulent flow (Re > 2000), especially at the end of the rainfall simulation. The rill flow tended to be subcritical [Fr (Froude Number) < 1.0]. The variation in hydrological attributes (infiltration and runoff) was lower, while the sediment yield was variable. The erosion in the rill systems was characterized as limited transport, although the degraded area generated an average of 394 g m-2 of sediment in each simulation.

Modeling of Liquid-Solid Flow in Industrial Scale

In the present work, liquid-solid flow in industrial scale is modeled using the commercial software of Computational Fluid Dynamics (CFD) ANSYS Fluent 14.5. In literature, there are few studies on liquid-solid flow in industrial scale, but any information about the particular case with modified geometry cannot be found. The aim of this thesis is to describe the strengths and weaknesses of the multiphase models, when a large-scale application is studied within liquid-solid flow, including the boundary-layer characteristics. The results indicate that the selection of the most appropriate multiphase model depends on the flow regime. Thus, careful estimations of the flow regime are recommended to be done before modeling. The computational tool is developed for this purpose during this thesis. The homogeneous multiphase model is valid only for homogeneous suspension, the discrete phase model (DPM) is recommended for homogeneous and heterogeneous suspension where pipe Froude number is greater than 1.0, while the mixture and Eulerian models are able to predict also flow regimes, where pipe Froude number is smaller than 1.0 and particles tend to settle. With increasing material density ratio and decreasing pipe Froude number, the Eulerian model gives the most accurate results, because it does not include simplifications in Navier-Stokes equations like the other models. In addition, the results indicate that the potential location of erosion in the pipe depends on material density ratio. Possible sedimentation of particles can cause erosion and increase pressure drop as well. In the pipe bend, especially secondary flows, perpendicular to the main flow, affect the location of erosion.

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.

Finite Element Analysis of Warship Structures

Warships are generally sleek, slender with V shaped sections and block coefficient below 0.5, compared to fuller forms and higher values for commercial ships. They normally operate in the higher Froude number regime, and the hydrodynamic design is primarily aimed at achieving higher speeds with the minimum power. Therefore the structural design and analysis methods are different from those for commercial ships. Certain design guidelines have been given in documents like Naval Engineering Standards and one of the new developments in this regard is the introduction of classification society rules for the design of warships.The marine environment imposes subjective and objective uncertainties on ship structure. The uncertainties in loads, material properties etc.,. make reliable predictions of ship structural response a difficult task. Strength, stiffness and durability criteria for warship structures can be established by investigations on elastic analysis, ultimate strength analysis and reliability analysis. For analysis of complicated warship structures, special means and valid approximations are required.Preliminary structural design of a frigate size ship has been carried out . A finite element model of the hold model, representative of the complexities in the geometric configuration has been created using the finite element software NISA. Two other models representing the geometry to a limited extent also have been created —- one with two transverse frames and the attached plating alongwith the longitudinal members and the other representing the plating and longitudinal stiffeners between two transverse frames. Linear static analysis of the three models have been carried out and each one with three different boundary conditions. The structural responses have been checked for deflections and stresses against the permissible values. The structure has been found adequate in all the cases. The stresses and deflections predicted by the frame model are comparable with those of the hold model. But no such comparison has been realized for the interstiffener plating model with the other two models.Progressive collapse analyses of the models have been conducted for the three boundary conditions, considering geometric nonlinearity and then combined geometric and material nonlinearity for the hold and the frame models. von Mises — lllyushin yield criteria with elastic-perfectly plastic stress-strain curve has been chosen. ln each case, P-Delta curves have been generated and the ultimate load causing failure (ultimate load factor) has been identified as a multiple of the design load specified by NES.Reliability analysis of the hull module under combined geometric and material nonlinearities have been conducted. The Young's Modulus and the shell thickness have been chosen as the variables. Randomly generated values have been used in the analysis. First Order Second Moment has been used to predict the reliability index and thereafter, the probability of failure. The values have been compared against standard values published in literature.

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.

Inertia-Gravity Waves Emitted from Balanced Flow: Observations, Properties, and Consequences

This paper describes laboratory observations of inertia–gravity waves emitted from balanced fluid flow. In a rotating two-layer annulus experiment, the wavelength of the inertia–gravity waves is very close to the deformation radius. Their amplitude varies linearly with Rossby number in the range 0.05–0.14, at constant Burger number (or rotational Froude number). This linear scaling challenges the notion, suggested by several dynamical theories, that inertia–gravity waves generated by balanced motion will be exponentially small. It is estimated that the balanced flow leaks roughly 1% of its energy each rotation period into the inertia–gravity waves at the peak of their generation. The findings of this study imply an inevitable emission of inertia–gravity waves at Rossby numbers similar to those of the large-scale atmospheric and oceanic flow. Extrapolation of the results suggests that inertia–gravity waves might make a significant contribution to the energy budgets of the atmosphere and ocean. In particular, emission of inertia–gravity waves from mesoscale eddies may be an important source of energy for deep interior mixing in the ocean.

On the generation mechanisms of short-scale unbalanced modes in rotating two-layer flows with vertical shear

We report on the results of a laboratory investigation using a rotating two-layer annulus experiment, which exhibits both large-scale vortical modes and short-scale divergent modes. A sophisticated visualization method allows us to observe the flow at very high spatial and temporal resolution. The balanced long-wavelength modes appear only when the Froude number is supercritical (i.e. $F\,{>}\,F_\mathrm{critical}\,{\equiv}\, \upi^2/2$), and are therefore consistent with generation by a baroclinic instability. The unbalanced short-wavelength modes appear locally in every single baroclinically unstable flow, providing perhaps the first direct experimental evidence that all evolving vortical flows will tend to emit freely propagating inertia–gravity waves. The short-wavelength modes also appear in certain baroclinically stable flows. We infer the generation mechanisms of the short-scale waves, both for the baro-clinically unstable case in which they co-exist with a large-scale wave, and for the baroclinically stable case in which they exist alone. The two possible mechanisms considered are spontaneous adjustment of the large-scale flow, and Kelvin–Helmholtz shear instability. Short modes in the baroclinically stable regime are generated only when the Richardson number is subcritical (i.e. $\hbox{\it Ri}\,{<}\,\hbox{\it Ri}_\mathrm{critical}\,{\equiv}\, 1$), and are therefore consistent with generation by a Kelvin–Helmholtz instability. We calculate five indicators of short-wave generation in the baroclinically unstable regime, using data from a quasi-geostrophic numerical model of the annulus. There is excellent agreement between the spatial locations of short-wave emission observed in the laboratory, and regions in which the model Lighthill/Ford inertia–gravity wave source term is large. We infer that the short waves in the baroclinically unstable fluid are freely propagating inertia–gravity waves generated by spontaneous adjustment of the large-scale flow.

A unified theory of balance in the extratropics

Many physical systems exhibit dynamics with vastly different time scales. Often the different motions interact only weakly and the slow dynamics is naturally constrained to a subspace of phase space, in the vicinity of a slow manifold. In geophysical fluid dynamics this reduction in phase space is called balance. Classically, balance is understood by way of the Rossby number R or the Froude number F; either R ≪ 1 or F ≪ 1. We examined the shallow-water equations and Boussinesq equations on an f -plane and determined a dimensionless parameter _, small values of which imply a time-scale separation. In terms of R and F, ∈= RF/√(R^2+R^2 ) We then developed a unified theory of (extratropical) balance based on _ that includes all cases of small R and/or small F. The leading-order systems are ensured to be Hamiltonian and turn out to be governed by the quasi-geostrophic potential-vorticity equation. However, the height field is not necessarily in geostrophic balance, so the leading-order dynamics are more general than in quasi-geostrophy. Thus the quasi-geostrophic potential-vorticity equation (as distinct from the quasi-geostrophic dynamics) is valid more generally than its traditional derivation would suggest. In the case of the Boussinesq equations, we have found that balanced dynamics generally implies hydrostatic balance without any assumption on the aspect ratio; only when the Froude number is not small and it is the Rossby number that guarantees a timescale separation must we impose the requirement of a small aspect ratio to ensure hydrostatic balance.

On Hamiltonian balanced dynamics and the slowest invariant manifold

The concept of a slowest invariant manifold is investigated for the five-component model of Lorenz under conservative dynamics. It is shown that Lorenz's model is a two-degree-of-freedom canonical Hamiltonian system, consisting of a nonlinear vorticity-triad oscillator coupled to a linear gravity wave oscillator, whose solutions consist of regular and chaotic orbits. When either the Rossby number or the rotational Froude number is small, there is a formal separation of timescales, and one can speak of fast and slow motion. In the same regime, the coupling is weak, and the Kolmogorov–Arnold-Moser theorem is shown to apply. The chaotic orbits are inherently unbalanced and are confined to regions sandwiched between invariant tori consisting of quasi-periodic regular orbits. The regular orbits generally contain free fast motion, but a slowest invariant manifold may be geometrically defined as the set of all slow cores of invariant tori (defined by zero fast action) that are smoothly related to such cores in the uncoupled system. This slowest invariant manifold is not global; in fact, its structure is fractal; but it is of nearly full measure in the limit of weak coupling. It is also nonlinearly stable. As the coupling increases, the slowest invariant manifold shrinks until it disappears altogether. The results clarify previous definitions of a slowest invariant manifold and highlight the ambiguity in the definition of “slowness.” An asymptotic procedure, analogous to standard initialization techniques, is found to yield nonzero free fast motion even when the core solutions contain none. A hierarchy of Hamiltonian balanced models preserving the symmetries in the original low-order model is formulated; these models are compared with classic balanced models, asymptotically initialized solutions of the full system and the slowest invariant manifold defined by the core solutions. The analysis suggests that for sufficiently small Rossby or rotational Froude numbers, a stable slowest invariant manifold can be defined for this system, which has zero free gravity wave activity, but it cannot be defined everywhere. The implications of the results for more complex systems are discussed.