Progress report VI, research study on stilling basins, energy dissipators, and associated appurtenances : section 12, stilling basin chute block pressures (basin II) /

Mode of access: Internet.

Results of tests on a chute with a St. Anthony Falls stilling basin /

Mode of access: Internet.

Stilling Basin Scour Remediation Using Air Injection and Flat Plate Extension

The South Florida Water Management District (SFWMD) is responsible for managing over 2500 miles of waterways and hundreds of water control structures. Many of these control structures are experiencing erosion, known as scour, of the sediment downstream of the structure. Laboratory experiments were conducted in order to investigate the effectiveness of two-dimensional air diffusers and plate extensions (without air injection) on a 1/30 scale model of one of SFWMD gated spillway structures, the S65E gated spillway. A literature review examining the results of similar studies was conducted. The experimental design for this research was based off of previous work done on the same model. Scour of the riverbed downstream of gated spillway structures has the potential to cause serious damage, as it can expose the foundation of the structure, which can lead to collapse. This type of scour has been studied previously, but it continues to pose a risk to water control structures and needs to be studied further. The hydraulic scour channel used to conduct experiments contains a head tank, flow straighteners, gated spillway, stilling basin, scour chamber, sediment trap, and tailwater tank. Experiments were performed with two types of air diffusers. The first was a hollow, acrylic, triangular end sill with air injection holes on the upstream face, allowing for air injection upstream. The second diffuser was a hollow, acrylic rectangle that extended from the triangular end sill with air injection holes in the top face, allowing for vertical air injection, perpendicular to flow. Detailed flow and bed measurements were taken for six trials for each diffuser ranging from no air injection to 5 rows of 70 holes of 0.04" diameter. It was found that with both diffusers, the maximum amount of air injection reduced scour the most. Detailed velocity measurements were taken for each case and turbulence statistics were analyzed to determine why air injection reduces scour. It was determined that air injection reduces streamwise velocity and turbulence. Another set of experiments was performed using an acrylic extension plate with no air injection to minimize energy costs. Ten different plate lengths were tested. It was found that the location of deepest scour moved further downstream with each plate length. The 32-cm plate is recommended here. Detailed velocity measurements were taken after the cases with the 32-cm plate and no plate had reached equilibrium. This was done to better understand the flow patterns in order to determine what causes the scour reduction with the extension plates. The extension plate reduces the volume of scour, but more importantly translates the deepest point of scour downstream from the structure, lessening the risk of damage.

Physical modeling of air injection as a scour remediation technique near gated weir stilling basins

The South Florida Water Management District (SFWMD) manages and operates numerous water control structures that are subject to scour. In an effort to reduce scour downstream of these gated structures, laboratory experiments were performed to investigate the effect of active air-injection downstream of the terminal structure of a gated spillway on the depth of the scour hole. A literature review involving similar research revealed significant variables such as the ratio of headwater-to-tailwater depths, the diffuser angle, sediment uniformity, and the ratio of air-to-water volumetric discharge values. The experimental design was based on the analysis of several of these non-dimensional parameters. Bed scouring at stilling basins downstream of gated spillways has been identified as posing a serious risk to the spillway’s structural stability. Although this type of scour has been studied in the past, it continues to represent a real threat to water control structures and requires additional attention. A hydraulic scour channel comprised of a head tank, flow straightening section, gated spillway, stilling basin, scour section, sediment trap, and tail-tank was used to further this analysis. Experiments were performed in a laboratory channel consisting of a 1:30 scale model of the SFWMD S65E spillway structure. To ascertain the feasibility of air injection for scour reduction a proof-of-concept study was performed. Experiments were conducted without air entrainment and with high, medium, and low air entrainment rates for high and low headwater conditions. For the cases with no air entrainment it was found that there was excessive scour downstream of the structure due to a downward roller formed upon exiting the downstream sill of the stilling basin. When air was introduced vertically just downstream of, and at the same level as, the stilling basin sill, it was found that air entrainment does reduce scour depth by up to 58% depending on the air flow rate, but shifts the deepest scour location to the sides of the channel bed instead of the center. Various hydraulic flow conditions were tested without air injection to verify which scenario caused more scour. That scenario, uncontrolled free, in which water does not contact the gate and the water elevation in the stilling basin is lower than the spillway crest, would be used for the remainder of experiments testing air injection. Various air flow rates, diffuser elevations, air hole diameters, air hole spacings, diffuser angles and widths were tested in over 120 experiments. Optimal parameters include air injection at a rate that results in a water-to-air ratio of 0.28, air holes 1.016mm in diameter the entire width of the stilling basin, and a vertically orientated injection pattern. Detailed flow measurements were collected for one case using air injection and one without. An identical flow scenario was used for each experiment, namely that of a high flow rate and upstream headwater depth and a low tailwater depth. Equilibrium bed scour and velocity measurements were taken using an Acoustic Doppler Velocimeter at nearly 3000 points. Velocity data was used to construct a vector plot in order to identify which flow components contribute to the scour hole. Additionally, turbulence parameters were calculated in an effort to help understand why air-injection reduced bed scour. Turbulence intensities, normalized mean flow, normalized kinetic energy, and anisotropy of turbulence plots were constructed. A clear trend emerged that showed air-injection reduces turbulence near the bed and therefore reduces scour potential.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Dimensionamento de obras de dissipação de energia em drenagem de vias de comunicação

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Energy dissipation and geometry effects over stepped spillways

The energy dissipation process is the major significant point in the designof hydraulic structure. The dissipation of high energy on stepped weirsprevents any damage in the weir itself and channels the energy ownstream to reduce the stilling basin size. In this study, four physical models are used to evaluate the impact of adding end sills that have a quarter circle shape at step edges. The amount of energy loss on weirs under different flow regimes is investigated by experimental work. Stepped weirs have a suitable number of steps and two different ratios of the width to height (2.22, and 2.40). The scale of the physical models is 20:1. The outcomes of the dimensional analyses refer to the critical depth for flow in weirs to the height of step yc/h, the end sill radius, and the number of steps N are more effective parameters than others inthe energy loss process. Moreover, for small values of yc/h, the energydissipation is the greatest. Any increase in yc/h leads to a decrease in theenergy dissipation, while the energy dissipation increases with the number of steps (N).

Hydraulic model studies of the Wanship Dam Vertical stilling wells, Weber Basin Project, Utah /

Mode of access: Internet.