DISS. ETH Nr. 10370
Vereinigung schießender Abflüsse
und ihre
durch die
Optimierung
Deckplatte.
ABHANDLUNG
Zur
Erlangung
des Titels
DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
vorgelegt
von
Markus Schwalt
Dipl. Ing.
geboren
am
1. März 1961
in Schlanders/Südtirol
ITALIEN
Angenommen
auf
Antrag
von:
Prof. Dr. Dr. h.c. D. Vischer, Referent
Prof. Dr. Th. Dracos, Korreferent
Dr. W. H.
Hager,
1993
Korreferent
9
ZUSAMMENFASSUNG
ZUSAMMENFASSUNG
Vereinigung
Die
dar.
Strömung
beeinträchtigt,
von
Infolge
die
zwei schießenden
Profil sind ebenfalls
größere Querschnitte erforderlich,
so
im
Freispiegelabfluß
beiden Fällen verteuert. Wird das Bauwerk nicht
vorgänge angepaßt,
der
an
Vereinigungsströmung
schießenden
Verbesserungsmaßnahmen
werden
zur
Berechnung
in einem
von
gefährdet
Sie
zeigen
vor
entspricht
einem
der VAW erstellten
Einmündung.
geraden,
Ausarbeitung
Das
von
großen
zur
Zulauf-Froudezahlen
Strömungsvorgängen.
Die
Berechnung vorausgesetzten
horizontalen
zu
erarbeiten, werden
Versuchsanlage durchgeführt.
entwickelt. Die
neu
und
Die Gerinnekanten sind scharf
Vereinigung
glatten
Vereinigungsgeometrie
Rechteckkanal
ausgebildet.
Zur Daten¬
mit
Die Zuflüsse sind
seitlicher
ungestört
Geschwindigkeitsverteilung im Zulaufquerschnitt ist uniform.
Das
Versuchsprogramm
beinhaltet die
Kanal und anschließend das Studium
Spezialfälle
mit
Unterlagen vorliegen.
von
Strömungsvorgängen zurückgeführt werden.
werden Geräte verbessert bzw.
erfassung
und die
an
Anwendung
zur
und die
mit den tatsächlichen
Um vertiefte Erkenntnisse über die schießende
Modellversuche in der
weder über die
bisher vorhandenen Methoden
allem bei
auf Unterschiede zwischen den
Annahmen und den tatsächlichen
werden. Dem
typischen Vereinigungsbauwerk.
Übereinstimmung
Abweichungen können
anwendbare
Vereinigungsströmungen
vorgestellt und analysiert.
keine ausreichende
noch
Strömungsbeschreibung
Ziel dieser Arbeit ist daher die
geschlossenen
speziellen Strömungs¬
diese
kann seine Funktion und Standsicherheit
strömungsverbessernden Maßnahmen allgemein
Die
der
wodurch sich das Bauwerk in
Ingenieur fehlen bisher jedoch systematische Untersuchungen, sodaß
Bemessung
Störung
Abflußkonzentrationen führen und in offenen Kanälen eine Er¬
zu
der Kanalwände erforderlich machen. Bei
höhung
stellt eine
wird der Unterwasserabfluß durch Stoßwellen
Störung
dieser
Freispiegelabflüssen
der
Vereinigung
Vereinigungswinkeln 8
Dabei lassen sich
Zwanzigfache
große
=
von
Vereinigungsströmung
ausgewählten Einbauten.
bei ausschließlichem Zulauf im
unverbauten
Vorerst werden
und Seitenkanal
30° und 60° und verschiedenen Kanalbreiten untersucht.
'stehende' Wellen beobachten, deren Maximalhöhen das bis
der Zulaufwassertiefe erreichen und in engem
Energiehöhe des
Haupt-
im
Zusammenhang
zu
mit der
Zulaufs stehen.
Die unverbaute
Vereinigung
bei Betrieb beider Zuläufe
zeigt
anschließend das
prinzipielle Wellenmuster
mit den stehenden Wellen A, B, C und D und die Zusam¬
menhänge
Versuchsparametern (Froudezahlen, Zuflußtiefenverhältnis,
zwischen den
VEREINIGUNG SCHIESSENDER ABFLÜSSE
10
Vereinigungswinkel),
Kanalbreitenverhältnis und
metrien. Die
Strömungsphänomene sind
dabei
bestimmt, deren komplexe Abhängigkeiten
werden. Als wesentliche Erkenntnis
Stoßzahl
(f2«"n8)2
als Produkt
von
folgt,
Wellenpositionen
den
von
von
einer Vielzahl
den
daß die Größe der Wellen
Vereinigungswinkel 8
und der
nach Gl.
(2.4.20) abhängt. Wird beim Entwurf
Stoßzahl klein
gehalten,
so
Deckplatte
mäßigung ermittelt (Schwalt 1994).
zeichneten
Anwendbarkeit
die
mit
Strömung
Durch
erweiterte
Welle
-
die Welle B
ursprünglichen
-
kavitationsgefährdet,
die
zur
Abflußvergleich¬
Modellversuche
wird
ihre
besticht durch ihre
in bestehende
nachträglich
negative Auswirkungen
und
auf
entfallen.
Deckplatte
wird vorerst bei
Vereinigungswinkeln 8
Seitenkanals und den
Vereinigungen
systematisch analysiert. Die Deckplatte zeigt einen ausge¬
ist nicht
Vereinigungsströmung
Die
von
Wirkungsbereich bei großen Zulauf-Froudezahlen und
integrieren,
Quadrat der
maßgebenden Zulauf-
als beste Maßnahme
Einfachheit und Effizienz. Sie läßt sich insbesondere auch
Bauwerke
deutlich
bilden sich kleine Wellen.
In Vorversuchen wurde die
Wirkung und
vom
-geo-
Parametern
von
Zulaufbedingungen
f2
Froudezahl
und
läßt sich bei
=
ausschließlichem
30° und 60° untersucht. Die
günstigen Ausgangsbedingungen bis
Höhe reduzieren. Die
Betrieb des
vollständige Position
der
größte
auf 20% ihrer
Deckplatte
wird in
Abhängigkeit der Zulaufparameter angegeben.
Bei Betrieb beider Zuläufe kann die
eingesetzt werden,
während bei 8
Platte Pulsationen auftreten.
=
Deckplatte
allein
60° Zusatzmaßnahmen
Insgesamt zeigt
sich bei
nur
bei 8
notwendig
^ 8 g 40° empfohlen
Um die
Position der
Beispiele ausgearbeitet.
Deckplatte
erfolgreich
sind und
nur
=
an
der
30° ein
bei Winkeln
wird.
praktische Anwendung der Deckplatte
richtlinien und
30°
Vereinigungswinkeln 8
günstigerer Einsatzbereich der Deckplatte, sodaß ihre Anwendung
15°
=
zu
erläutern, sind Bemessungs¬
Anhand dieser Richtlinien kann die Größe und
bestimmt werden.
11
ABSTRACT
ABSTRACT
Two
waves
supercritical
in the tailwater Channel. The
side walls
endangered
are
larger
a
flow and lead to
junction
hydraulically designed,
Up
is not economic.
existing
in
to now,
neither
diameters
stability
are
may be
design procedure
a
improve
nor means to
this
is directed to the
study
type junction.
a
methods of the
Froude numbers, the
deviations may be
larger
its function and
supercritical junction flow,
of
Standing
pattern yields flow concentrations, and higher
available. Therefore the purpose of the present
improvement
The
is not
design
and the
flow pattern
flow
junction
systematic analysis
on a
wave
perturb
neccessary. For free surface flow in closed conduits,
are
needed. If the
based
free surface flows
hydraulic computation
comparison
explained by
for
predictions
of
junctions
is
particularly
assumptions involved
the various
presented.
are
in the
poor.
For
The
computational
modeis.
Experiments
were
conducted
the VAW to
at
mechanism of junction flow. The instrumentation is
The
junction geometry selected has
smooth
through
approach
flows
unperturbed.
The
widths of 60% and 100% of the
improved
rectangular section,
a
Channel is connected with
are
obtain
horizontal
a
width
and
are
are
into the
for better data collection.
horizontal and
straight
a
sharp-edged
junction angles 8
through
deeper insight
lateral Channel. The
0°, 30° and 60°, and lateral
considered. The
experimental
program includes both flows in the unobstructed Channel and with selected elements for
flow
are
improvement Also, special
studied.
heights
Large Standing
can amount
waves
cases
of junction with lateral, and
may be identified
up to twenty times the
as
the main
through flows only
junction feature,
approach depth, depending
on
the
whose
approach
Froude number.
For unobstructed
principal
flow pattern
between the
approach
junction flows with both approach Channels in Operation,
consisting
approach
of
A, B, C and D is identified. The relations
waves
Froude numbers, the
Channel widths and the
depend
of
on
flow is dominated
approach parameters
depend quadratic
waves
number
the
junction
f2
depending
=
2F0FL/(F0
on
the
so
+
on
FL).
the
approach
junction angle
(location of begin, maximum and end of the
deduced. The
in
a
by
a
large
depth ratio,
well
as
the
wave
widths and
the ratio of
geometries
heights)
are
number of parameters which
manner.
junction angle 8
called shock number
as
flow
wave, and wave
complex
Wave C in
a
As
a
main result, the
and the average
particular, originating
f2sin8, indicating
that it
at
approach
the
can
heights
Froude
junction point,
be
kept
small for
12
VEREINIGUNG SCHIESSENDER ABFLÜSSE
either parameters
f2
or
8 small.
Preliminary observations
revealed that the
flow
improvement (Schwalt 1994).
Detailed
and
application.
is
numbers
The
and fascinates
significantly
junctions,
reduced
=
a
cover
a
no
junction
approach
was
related to
complete plate geometry
as a
function of
A
design procedure
application of
the
cover
the
cover
as
well
plate.
The
element in the junction.
as
easily
be
means
large approach
a
local wall
integreated
in
the junction flow
with lateral,
or
through
wave
flow
for
its action
on
on
Channels in
plates
cover
Optimum
disadvantages
Froude
is
wave
existing
occur.
only is also
B may be reduced down to 20% of its
Operation,
30°, for 8 larger than 40°, say, additional
domain of
suited for
element. It may
and 60°. The main
For both
the
through simplicity and efficiency:
coverplate in
^ 30°
for 8
original height.
for 8
by
plate is
experiments yield knowledge
particularly
is not prone to cavitation, and
The effect of
analysed
plate
cover
cover
the
cover
measures are
junction angles 8
plate
is
only
needed. The
between 15°
an
useful
Optimum
40°. The
approach conditions is specified.
examples
design
are
presented finally
to
indicates the dimensions and the
explain
position
the
of
13
RIASSUNTO
RIASSUNTO
La
congiunzione
valle della
di canali
libero in
aperti
stessa.
pelo
II deflusso
libero in
regime
valle risulta
a
di un'innalzamento delle
tubatura la
una
a
perturba
veloce
pregiudicato
il deflusso
dalla formazione
pareti.
Anche nel
del deflusso
perturbazione
caso
di deflusso
sezioni
impone
ampiate,
comporta maggiori spese di realizzazione. Se l'opera di canalizzazione
adeguata
possono
questi particolari fenomeni
a
in
essere messe
la
sua
funzionalitä
gioco. L'ingegnere progettista
sistematico che permetta il dimensionamento in
di due correnti,
a
migliorare
rispettivamente
manca
di
caso
misure atte
migliorarne
una
analizzati.
discrepanze
metodi
e
Per
i
Sopratutto
Per
per correnti d'afflusso
liscia
velocitä in sezione
con
sono
con
con
i
con
studio
veloce
misure atte
e
proporre delle
processi
esistenti
elevato
un
le differenze tra le
dei
processi
indagini sperimentali
e
e
definita da
da
un
sono
numero
di
realmente osservati.
ipotesi
su
in presenza di
ammesse
da tali
una
congiunzione
modello idraulico in un'installazione
strumenti di misura esistenti
canale orizzontale diritto
canale laterale d'adduzione. Gli
un
non
geometria della
La
a
sezione
e
rettangolare
dei canali
spigoli
presentano disturbo alcuno
sono
la distribuzione delle
uniforme.
d'indagine prevede dapprima
il canale libero,
poi
studiate le correnti per
lo
studio
l'effetto di diverse costruzioni
angoli
di
congiunzioni 8
questi
casi si
altezze massime fino
a
osservano
venti volte
correnti
delle
di 30°
prescelte.
nella
In
una
60° per diverse
e
dei canali, considerando separatamente l'afflusso nel canale
canale laterale. In
con
e
programma
larghezze
discrepanze
spiegate
comprensione
netti. Le correnti d'afflusso
congiunzione
poi
congiunzione
una
l'acquisizione dei dati necessari gli
realizzata
superficie
prima fase
regime
possibili
per
migliorati rispettivamente appositamente concepiti.
congiunzione
ü
uno
realizzata presso il Laboratorio di Ricerche Idrauliche del Politecnico di
Zurigo (VAW).
con
la
realizzate delle
stati
di
realmente osservati.
approfondire
appositamente
sono
essere
possono
processi
sono State
in
viene
non
il deflusso.
Froude i metodi esistenti hanno mostrato
Tali
congiunzione
ciö che
dell'impianto
dispone finora
tipica congiunzione
I metodi di calcolo del deflusso in presenza di
e
la sicurezza
pelo
a
il comportamento della corrente di deflusso. Lo scopo di questo lavoro
di descrivere la corrente in
presentati
non
e
della documentazione sulle
perciö quello
a
a
onde inducono concentrazioni nel deflusso che necessitano nel
Queste
di onde d'urto.
caso
di due afflussi
congiunzione
principale
e
nel
delle onde stazionarie di notevoli dimensioni
maggiori
dei tiranti delle correnti d'afflusso.
VEREINIGUNG SCHIESSENDER ABFLÜSSE
14
L'altezza dellen onde
e
all'energia
in stretta relazione
della corrente d'adduzione.
L'esercizio contemporaneo dei due canali mostra
moto
ondoso
di Froude,
dei canali d'afflusso,
angolo di congiunzione)
gran
dipende
quadrato del
dal
congiunzione 8
e
dal
d'urto viene mantenuto
In
una
di onde
numero
di Froude. La
esistenti,
su
nella corrente di
si lascia
quelle
del
piastra.
II
-
originale
senza
parametri
d'afflusso.
Quando entrambi
per
l'angolo
di
provvedimenti
zione della
ne
puö
la
piastra
con
delle
dall'
congiunzione
il
numero
e
e
potuto stabilire che
indagini
la
migliore
distribu-
modello hanno
su
possibilitä
le
con
di utilizzazione.
un'eccellente efficienza il controllo delle
del deflusso per delle correnti ad alto
e
B
-
piastra
con
montare anche
e non
in costruzioni
induce effetti negativi
sono
norme
sono
angoli
di
congiunzione 8
il solo
con
di 30°
e
60°. Le
della
piastra
indicato in funzione dei
e
in esercizio l'effetto della
di 30°, per
piastra ha
successo
solo
quello di 60° si rendono necessari ulteriori
sollecitata da oscillazioni. Nell'insieme il campo d'utilizza-
l'impiego
per 15°
piccoli angoli
possibile
di
congiunzione, cosi
che
se
^ 8 ^ 40°.
pratico della piastra di copertura
e
d'apprima
studiate
risultano cosi ridotte fino al 20% della loro altezza
si mostra favorevole per
Per chiarire l'uso
posizionamento.
(f2^n8)2,
raggiunge
Ulteriori
agevolmente
posizionamento
i canali
piastra
raccomandare
Con queste
tipo
congiunzione 8
e
grandezza
congiunzione.
esercizio del canale laterale d'adduzione
piü grandi
si
da fenomeni di cavitazione
Le condizioni di scorrimento
onde
con
una vasta zona
piastra
pregiudicata
non e
di
determinati
grandi resta contenuta.
di copertura si
piastra
piastra di copertura permette
condizioni di scorrimento
la
f2
permesso di considerarne sistematicamente l'effetto
L'uso di
e
di Froude della corrente d'afflusso determinante
possibile (Schwalt 1994).
zione del deflusso
corrente sono
Se nel dimensionamento della
una
posizione
di
piccolo, la formazione
l'opportuna disposizione di
larghezze
angolo
indagini sperimentali preliminari
serie di
una
la
con
ritenuto che la
essere
delle
dalle condizioni d'afflusso
d'urto nella forma
numero
numero
l'equazione (2.4.20).
secondo
tipi di
complessa dipendenza
chiarita. Quäle risultato essenziale puö
e stata
onde
la cui
parametri
di
numero
rapporti
in relazione
onde. I fenomeni riscontrati nei diversi
geometria delle
un
sono
tipico
un
D, dove i diversi parametri
e
dei tiranti d'afflusso,
rapporti
sperimentali (numero
da
C
tipo A, B,
onde stazionarie del
con
la formazione di
quindi
dimensionare la
norme
piastra
ed
esempi
stessa
e
sono
presentati.
stabilirne il
suo