Analýza hydrodynamiky vtoku do tlakového kanálu s využitím metody PIV

Abstract

Tato diplomová práce se zaměřuje na zkoumání úplavu a struktur za vtokem do hranatého propustku při tlakovém proudění. Analýza byla provedena na hydraulickém modelu v laboratorních podmínkách. Součástí práce bylo zprovoznění a aplikace metody 2D Partical Image Velocimetry (PIV). V běžné praxi jsou místní ztráty uvažovány jako lokální problém, což neodpovídá realitě a cílem práce je rozšířit teoretické i praktické znalosti ohledně ztráty na vtoku do propustku. Konkrétně se práce věnuje popisu místní ztráty vtokem při přechodu z proudění o volné hladině do proudění tlakového. Práce se dále věnuje vyhodnocení velikosti úplavu, který vzniká za hranou vtoku do tlakového kanálu. Díky metodě PIV bylo možné vyhodnotit vektorová pole okamžitých rychlostí při různých okrajových podmínkách tlakového proudění v oblasti vtoku do propustku s Reynoldsovým číslem Re od 1 x10^(4) do 4 x10^(4). Výsledky ukazují, že tabulkové hodnoty součinitele místní ztráty pro ostrohranný vtok jsou platné pro vyšší Reynoldsova čísla z uvedeného intervalu. Pro nižší hodnoty Re vychází součinitel místní ztráty výrazně vyšší oproti tabulkové hodnotě. Dále byla nalezena závislost délky úplavu na poměru zatopení. Výška úplavu vykazuje trend závislost na poměru zatopení.

This master thesis focuses on the investigation of the recirculation area and flow structures downstream of the inlet of a square culvert under pressurized flow conditions. The analysis was carried out on a hydraulic model under laboratory conditions. The work included the implementation and application of the 2D Partical Image Velocimetry (PIV) method. In common practice, local losses are considered as a local problem, which does not correspond to reality and the aim of this work is to increase the theoretical and practical knowledge regarding the loss at the inlet of a culvert. Specifically, the thesis focuses on the description of local head loss at the inlet during the transition from a free-surface flow to a pressurized flow. The thesis also discusses the evaluation of the size of the recirculation area that forms behind the edge of the pressurized channel inlet. The PIV method allowed the evaluation of instantaneous velocity vector fields at different boundary conditions of the pressurized flow in the inlet region of the culvert with Reynolds number Re from 1 x10^(4) to 4 x10^(4). The results show that values reported in technical standards of the local head loss coefficient for the sharp-edged inlet are valid for the higher Reynolds numbers of the interval. For lower values of Re, the local head loss coefficient is significantly higher. Furthermore, the dependence of the length of the recirculation area on the relative level of inlet submergence was found. The recirculation area height shows a trend of dependence on the relative level of inlet submergence as well.