Measurements for

water

Meten in het laboratorium

21-11-2012

1

Meten in het laboratorium

• Ontwerp van een labexperiment

• Dimensieloze kentallen

• Schaalregels en gelijkvormigheid

• Het meten van snelheden, debieten, waterstanden,

drukken …….

Stroming in rivieren

Zomerkade

Krib

Toegangsweg

Dijk

Verhoogd liggend

gebouw

Vegetatie

Bocht

Experimenteel onderzoek

• Op welke vraag wil ik een antwoord?

• Uit welke gegevens bestaat het antwoord?

• Hoe kom ik aan die gegevens?

• Is daar een experiment voor nodig?

• Ja, hoe moet het experiment eruit zien en

welke grootheden moet ik meten?

• Hoe nauwkeurig moeten de gegevens zijn?

21-11-2012

2

Laboratoriumexperiment

• Getrouwe weergave van (deel van) werkelijkheid

• Dezelfde relevante fysische verschijnselen

• Gecontroleerde omstandigheden

• Beperkte range aan condities mogelijk

• Civieltechnische experimenten vaak op kleinere

schaal

Experimenteren op

schaal

Osborne Reynolds 1883

Ludwig Prandtl 1904

Kelder Oostplantsoen TH-Delft >1932

Wervelingen in ondiep water

21-11-2012

3

Experiment met wervelvorming

achter strekdam

Horizontale snelheden gemeten aan vrij oppervlak

1 m

Dimensieloze kentallen gerelateerd

aan relatief belang fysisch proces

• Waarom belangrijk?

– Fysisch inzicht

– Opstellen vergelijkingen

– Experimenten op schaal

– Plotten van resultaten

• Reynolds: verhouding traagheid-visceuze processes

• Froude: verhouding traagheid-zwaartekracht

• Weber: verhouding traagheid-oppervlaktespanning

Getal van Reynolds

• Stroombeeld (laminair/turbulent) bepaald door

vorm/afmeting voorwerp, snelheid, dichtheid, viscositeit

• Laminair

rustige gladde stroming, verstoringen gedempt door viskeuze effecten

Turbulent

chaos, wervelende stroming, verstoringen versterkt door traagheidseffecten

• Verhouding traagheid-weerstand

2 2 2

Reρ ρ ρ ρτ η η η

≈ = ≡�u u u ul

du dz u l

21-11-2012

4

• Verhouding traagheid-zwaartekracht

• Subkritische stroming (Fr < 1)langzame en diepe stroming

• Superkritische stroming (Fr > 1)snelle en ondiepe stroming (schietend water)

• Stroming in natuur (rivieren, zeeën) overwegend subkritisch

• Superkritische stroming t.g.v. bijv. vloedgolf in bergrivier

Getal van Froude

= uFr

gh

Watersprong

Subkritisch

U klein

h groot

stroming

Superkritisch

U groot

h klein

Getal van Weber

• Verschillende moleculaireaantrekkingskrachten

netto spanning in een grensvlak

• Verhouding traagheid-oppervlaktespanning

• Civiele systemen: l groot �We>>1, uitzonderingen:

rimpels wateroppervlak, capillaireopstijging grondwater

σ σ

hσ

D

2 2ρ ρσ σ

= ≡u u lWe

l

21-11-2012

5

Schaling

• Geometrisch en/of dynamischgelijkvormig

• Afleiding dmv Buckingham’s pi-theorema

Een probleem met I fysische grootheden en J dimensies kan beschreven worden d.m.v. I-J dimensieloze parameters.

MaquetteTU bibliotheek

Golfgoot

Schalingsfactor ni

• Fenomenen verkleind reproduceren

• Geometrische schaal nx=xp/xm

• Wat gebeurt er met het fysische proces?

– Bijv snelheid nu=up/um :

– beschouwen we kinetische energie dan

nu2=up

2/um2

Dimensies

- In een probleem spelen de volgende grootheden een rol. Ga nahoeveel onafhankelijke dimensieloze parameters hieruit gevormdkunnen worden en leid die af.

• Lengte l;

• Massadichtheid ρ;

• Viscositeit η;

• Zwaartekrachtsversnelling g;

• Snelheid U.

- In een stroming over een brede stuw stellen we de afvoer per meter breedte (symbool q en eenheden m3/s/m ofwel m2/s) slechtsafhankelijk van de zwaartekrachtsversnelling (g) en de hoogte van het wateroppervlak in het stuwmeer boven de kruin van de stuw (h). Leidtuit dimensiebeschouwingen af hoe q met h varieert.

21-11-2012

6

Oefening: Gelijkvormigheid

Voor de lange overlaat hebben we de volgende vergelijking afgeleidop basis van de vergelijking van Bernoulli:

a. Maak deze vergelijking dimensieloos.

b. Bepaal welke geometrische en dynamische dimensieloze kentallenvoor deze situatie relevant zijn.

I IIIII energiehoogte

a

IId

Id

2 2

2 22 2+ = + +I II

I II

q qd a d

gd gd

Oefening: Gelijkvormigheid

I IIIII energiehoogte

a

IId

Id

22 2

3 3

* *

12 2

=

+ = + +

=II

I

II I

I I I I II

I

dd

d

d dq a q

gd d d gd d

aa

d

I

G

elen door d enherschrijven :

eometrisch kental 1) : dimensieloze diepte en 2) drempelhoogte

Dynamisch kental 1 :

D

Froude - g

( )

22

123

2I

2* 2 * 2 *1 1

I I2 2

Fr2 2

Fr 1 Fr−

= =

→ + = + −

I

I I

uq

gd gd

d d a

etal

18

Experimental Techniques to measure flows

�Visualisation•dye/ smoke•vanes, wool threads

�Line of sight methods•shadowgraphy/schlieren/interferrometry

�Single point methods•pressure transducers (pitot-tube)•hot-wire anemometry (HWA)•laser Doppler anemometry (LDA)•acoustic Doppler velocimetry (ADV)•electro-magnetic flow meter (EMF)

�Whole field techniques•particle image/tracking velocimetry (PIV/PTV)•laser induced fluorescence (LIF)

21-11-2012

7

Turbulence 5312 19

Pitot tube with manometer

Pressure difference measured as

221 uppgh sTm ρρ =−=

Tp

Sp

Sp

Tpflow

Stagnationpressure

Overlaten

Vierlingh1575(visuele observatie)

Rehbock1931(Pitot-buis)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.1

0.2

0.3 Ali2010(LDA)

21

Acoustic Doppler Velocimeter ADV

receivertransmitter

Sampling volume

Flow

receiver

Soundwaves are scattered by small suspended particles that move with the flow.

Doppler shift of scattered sound is proportional to flow velocity.

3D-velocity vector is obtained with 3 receivers.

5 cm

Sampling volume < 0.25 cm3

Sampling frequency = 25 Hz

21-11-2012

8

Turbulence 5312 22

PTV/PIV-example

Pump

PIV-camera

LDA-probeParticledispenser

GridScreens

Inlet diffusor

t0 t0+dt

dt

xv i

i

∆=

23

Instantaneous velocity and concentration fields

t=78 s t=82 s t = 86 s

rivieren

Zomerkade

Krib

Toegangsweg

Dijk

Verhoogd liggend

gebouw

Vegetatie

Bocht

21-11-2012

9

Wervelingen in ondiep water

Experiment met wervelvorming achter strekdam

Horizontale snelheden gemeten aan vrij oppervlak

1 m

Sediment transport

Bed load transport

• Shields parameter drag vs. weight

Suspended load transport

•Rouse parameterSettling vs. mixing

U*

ws

Ψ ���∗���

∆�����∗�

∆��

� ��

��∗

21-11-2012

10

Sedimenttransport (bed load)

Water

Sediment

100 x versneld

Turbulentie met (sediment) deeltjesSuspended load

Breugem

Morphodynamics in lab

and field

flume width 0.6 m

flume length 26 m

21-11-2012

11

31PIV applications

Granular Bed Protections

• Stationary turbulent flow

• Characteristics:

• Hydraulically rough bed

• Low mobility

• Non-uniform flow

• Uniformly sized stones

• Non-equilibrium transport

• What causes the extreme forces

on a stone?

32PIV applications

Bed of stones

Load on particle

33PIV applications

Target stone triggers PIV-system

21-11-2012

12

34PIV applications

Measurements Bas Hofland

• set-up

stone

water surface window

optical rail

camera

mirrors

optics

flume

filter

laser

35PIV applicationsTurbulence 5312 35

PIV Interrogation analysis

Double-exposureimage

Interrogationregion

Spatialcorrelation

RP

RD+RD-

RC+RF

36PIV applications

Result: instantaneous flow fieldRe=80000, 125x125 vectors

Flow structures

21-11-2012

13

37PIV applications

Flow around moving stone

38PIV applications

Seeding with floats

39PIV applications

Experimental set-up, wave basin

21-11-2012

14

40PIV applications

Rip currents in wave basin: Particle

tracking + interpolation

5 m

Filtered velocity field

Time signal at single point

Vel

ocity