Specifikace projektu
Název projektu: Modelování turbulentního proudění v uzavřených a otevřených kanálech se zvýšenou drsností stěn
Investor: GA ČR
Předpokládané datum ukončení projektu: 12/2008
Hlavní řešitel: Prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc. - Ústav termomechaniky Akademie věd ČR Praha
Spoluřešitelé: Doc. Ing. Jan Šulc, CSc. - Laboratoř vodohospodářského výzkumu, Stavební fakulta VUT v Brně
Popis projektu: Pro provádění velkých průtoků z nádrží do toků pod hrázemi, zejména zemního typu, se často využívá koryt s velkými sklony dna. Zejména v horských a podhorských oblastech navazují koryta na úseky s nadkritickými sklony, kdy nelze využít k tlumení kinetické energie proudu vývarů s výskyty vodních skoků.
V současné době je dostatečné množství softwarových produktů nabízejících řešení proudění v pojetí 1D nebo 2D s volnou hladinou. Řešení je v současné době omezeno na „makropohled“, kdy je předpokládána hladina bez místních deformací a vliv geometrie dna je zaváděn drsnostními součiniteli. Vzhledem k tomu, že drsnost povrchu ovlivňuje výrazným způsobem chování proudu v celém průřezu, zejména v přístěnné oblasti, a stává se zdrojem ztrát mechanické energie, je stále i v aplikační sféře v popředí zájmu projektantů a uživatelů vodních děl.
Vliv drsnosti se projevuje na tangenciálním napětí zejména při obtékaném povrchu i na celkových proudových charakteristikách.
U zvýšených drsností na skluzech a korytech s nadkritickými sklony bývá využit materiál přirozeného charakteru (balvany) i charakteru umělého s definovanou geometrií vestavby. V případě prvků definované geometrie se jedná zpravidla o železobetonové či betonové ze dna vystupující elementy nebo příčné prahy. Právě příčné prahy ve dně koryta obdélníkového průřezu vytvářejí typ proudění vhodný k testování matematických modelů.
V experimentální části práce bude využito detailní měření rozložení rychlosti proudu bezkontaktními metodami optoelektronickými případně ultrazvukovými. Rozložení rychlosti a intenzity turbulence na svislici (ode dna k hladině) s přihlédnutím zejména k detailu v přístěnné oblasti a okolí obtékaného výstupku (prahu) je důležitým souhrnem informací pro kalibraci a následnou verifikaci numerických postupů. Jedná se o vhodný a osvědčený způsob pro testování modelů turbulence, využívaný námi při řešení předcházejícího grantového projektu.
Cíle projektu: Cílem projektu je upřesnění matematických modelů k řešení proudění při zvýšených drsnostech povrchu hydraulických systémů o volné hladině i tlakových. Právě detailní měření parametrů proudu zejména v okolí obtékaných příčných dnových výstupků a v přístěnné oblasti se zvýšeným gradientem rychlosti a dominujícím smykovým napětím přináší nutné informace mikrostrukturálního přístupu nutné pro další aplikační využití. Optoelektronické a ultrazvukové metody umožňují tento bezkontaktní přístup do mikroprostoru.
Experiment umožní upřesnit výpočty ztrát mechanické energie.
Aplikovatelnost v praxi: Výsledkem řešení projektu bude zpřesnění fyzikálního a matematického modelu obtékání drsné stěny pro použití v hydromechanice. Kromě vlivu drsnosti stěny na zpomalované proudění s odtržením bude stanoven i vliv drsnosti na přechod mezní vrstvy do turbulence. Získaný soubor experimentálních dat může sloužit k posouzení vlivu drsnosti stěn na proudění a energetické ztráty v kanálech s volnou hladinou. Vypracované programy pro výpočet proudění v kanálech s drsnými stěnami umožní zpřesnit metody pro návrh skluzů a prvků pro tlumení kinetické energie proudu.
Přesné a spolehlivé určení struktury proudění v okolí příčných prvků pro zvýšení drsnosti umožní určit míru nebezpečí stadia kavitace obtékaných zejména betonových povrchů.
Specifikace projektu obsahuje i grafickou přílohu.