Experimentální popis vnitřní struktury proudění s chodem dnových a nesených splavenin modifikovanou optickou metodou

Abstract

Tato disertační práce se zabývá experimentálním modelováním vnitřní struktury proudění s intenzivním chodem dnových a nesených splavenin v podobě měření a vyhodnocení rozdělení bodových rychlostí částic sedimentu stereometrickou optickou metodu. V současné době existují různé způsoby měření rychlostního rozdělení ve dvoufázových prouděních. Experimentální metody mají zpravidla různá omezení, jako například nutnost umístění senzorů do proudění a s tím spojené ovlivnění struktury proudu, omezená velikost proměřované domény proudění, možnost získávání informace pouze v prostředí o nízké koncentraci částic, možnost získávání pouze omezeného počtu složek bodové rychlosti nebo nízká časová frekvence sběru dat. Optická stereoskopická metoda využívající vysokorychlostní kamery překonává tato omezení při měření v laboratorních podmínkách. Doposud byla metoda vyžita v několika laboratořích pro vyhodnocení rychlostí částic při chodu sedimentu stejnozrnné frakce. Hlavním cílem práce bylo vyvinout postup umožňující pomocí stereometrické metody měřit rychlostní profily a profily granulárních teplot v případě chodu polydisperzního sedimentu, a to pro jednotlivé frakce sedimentu zvlášť. Motivací byla možnost získávat data pro lepší pochopení intenzivního chodu polydisperzního sedimentu v otevřených korytech a pro vývoj predikčních transportních modelů založených na kinetické teorii granulárních toků.Pro splnění cíle práce byly provedeny laboratorní experimenty v recirkulační koloně a sklopném žlabu, a to s různými frakcemi modelového sedimentu. Experimenty ukázaly vliv stěny na rychlostní profily v místě měření stereoskopickou metodou, což vedlo k návrhu úpravy vyhodnocení dat pomocí omezeného kontrolního objemu. Dále byla vyvinuta modifikovaná stereometrická metoda, která prokázala schopnost efektivně rozlišit jednotlivé frakce polydisperzního sedimentu na základě barvy jeho povrchu. Modifikovaná metoda byla testována experimentem s prouděním polydisperzního sedimentu v recirkulační koloně, kde umožnila oddělení a vyhodnocení rychlostí tří rozdílných typů částic ve vertikálním proudění. Následné experimenty ve sklopném žlabu s dvěma frakcemi částic modelového sedimentu prokázaly, že modifikovaná metoda umožňuje měření profilů rychlostí a granulárních teplot i v prostředí stratifikovaných proudění typických pro proudění s chodem dnových a nesených sedimentů v otevřených korytech.This dissertation concerns the experimental modeling of the internal structure of open-channel flow with intense bed load and suspended load, based on the measurement and evaluation of sediment velocity distributions using an optical stereometric method.Currently, various methods are available for measuring velocity distributions in two-phase flows. These experimental methods have limitations, such as the need to place sensors in the flow, which disturbs the flow structure; the limited size of the measured flow domain; the ability to obtain information only in environments with low concentration of sediment; the ability to obtain only some of the local velocity components; or low temporal frequency of data acquisition. The optical stereoscopic method using high-speed cameras overcomes these limitations under laboratory conditions. So far, this method has been used in several laboratories to evaluate sediment velocities in flows transporting unimodal sediments.The main objective of this work was to develop a procedure that allows the use of the stereometric method to measure distributions of velocity and granular temperature in flows transporting polydisperse sediments, and to do so for each of the transported sediment fractions separately. The motivation was to gain the ability to acquire data for a better understanding of the intense transport of polydisperse sediment in open channels and for a developing of predictive transport models based on the kinetic theory of granular flows.To meet this objective, laboratory experiments were carried out with different fractions of model sediment in a recirculation cell and in a tilting flume. The experiments revealed the effect of a side wall on velocity distribution in the flow area where the stereoscopic method was applied, which led to data evaluation corrections by limiting the control volume of the method. Furthermore, the stereometric method was modified to capture velocity distributions of fractions in polydisperse sediment. The modification demonstrated the ability to effectively distinguish between different fractions based on their surface color.The modified method was experimentally tested in a recirculation cell, where it allowed for the separate evaluation of velocities of three different fractions of particles in vertical flow. Subsequent experiments in a tilting flume with two fractions of model sediment demonstrated that the modified method allows for the measurement of profiles of velocity and granular temperature in stratified flows typical of flows with intense transport of bed load and suspended load in open channels. The results of this work contribute to experimental research on sediment-laden flows, suggest directions for further optimization of the optical method, and support the development of mathematical models for improved simulations of granular flows.