Хидрауличка анализа речних ушћа применом нумеричких модела

Abstract

У овој дисертацији ce разматра хидраулика ушћа са издигнутим дном притоке. Иако су теренска мерења још пре двадесет пет година показала да je на ушћима река са покретним дном појава издигнутог дна корита једног или оба сустичућа водотока више правило него изузетак, хидраулика ових ушћа још увек није довољно и на одговарајући начин изучена. Тако ce још увек не располаже довољним фондом података експерименталних и/или теренских мерења који би омогућио да ce просторно течење на оваквим ушћима боље опише и да ce утврди који све чиниоци и како утичу на хидраулику и процесе транспорта и мешања на овим ушћима. За сада ce располаже само подацима једновременог мерења две компоненте брзине на једном поједностављеном физичком моделу ушћа са непокретним дном и теренских мерења на ушћу два мања водотока. За разлику од теренских мерења, којима je обухваћено неколико вредности односа сила инерције реке и притоке (MR), испитивање на физичком моделу било je ограничено на једну вредност овог параметра, при чему нису мењани ни угао улива (а), ни степен издигнутости дна притоке изнад дна реке (Jszjh). Ова дисертација представља покушај да ce применом просторног нумеричког модела који користи вишеделну рачунску мрежу (SSIIM2), стекне бољи увид y хидродинамику ушћа са издигнутим дном притоке. За разлику од претходних истраживања y којима je однос ширине корита према дубини тока био мањи од 3, y дисертацији ce разматрају и ушћа широких пра- воугаоних корита (B/h >5). Нумерички модел je прво проверен помоћу резултата три лабораторијска огледа из литературе и резултата оригиналних теренских мерења кандидата на ушћу два велика алуви- јална водотока са издигнутим дном притоке (ушћу реке Саве y Дунав). Поље брзина мерено je помоћу ADCP уређаја вишеструким пролазима чамца дуж изабраних попречних пресека. Провера модела обухватила je детаљну оцену модела турбуленције к-е типа, који су ce до сада уобичајено користили y моделирању просторног течења. Показало ce да стандардни к-е модел даје боље резултате од модификованог и RNG к-е модела, али да ни један од њих не може да опише течење y областима великих флуктуација брзина, као што je, на пример, течење унутар низводног вртлога. Модел просторног течења потом je примењен за испитивање утицаја четири изабрана чиниоца на течење на ушћима код којих je t±zp Ih = 0.50. Избор ове вредности Azp Ih заснован je на резултатима теренских осматрања, која су показала да ce на већини ушћа са издигнутим дном притоке вредност овог параметра креће око 0.50. Поред чинилаца који су до сада изу- чавани на ушћима без издигнутог дна (угла улива a и односа сила инерције реке и притоке MR), размотрени су и утицаји различите ширине корита притоке и реке (BJBR) и узводне закрив- љености трасе притоке (R^B ). Испитивањима су обухваћени распореди: 1) углова скретања тока и 2) протицаја количине кретања на ушћу, јер су они показатељи размене количине кретања између притоке и реке, од којих зависе продирање притоке y корито реке и процес мешања, 3) притиска, јер од њега зависи јачина секундарног струјања, 4) интензитета брзиш и 5) ккнетичке енергије турбуленције y попречним пресецима низводно од ушћа, и б) распореди показатеља покретања вученог наноса и таложења лебдећег наноса. Показало ce да коефицијент корекције средњег угла скретања тока б на ушћу y Хагеро- вом аналитичком моделу није константан, већ да зависи од параметара a и MR, као и то да вред- ност компоненте силе инерције притоке, која делује y правцу тока реке и рачуна ce на основу средње вредности угла скретања тока б, може бити прецењена и до 30%. Дубље продирање језгра највећих брзина ка дну y близини ушћа и нагињање слоја смицања од зида на страни притоке непосредна je последица снижења притиска на низводном темену ушћа са порастом угла a и неравномерног уноса количине кретања по дубини тока на ушћу. Сужење корита притоке при истој вредности параметра MR има за последицу повећање уноса количине кретања no јединици ширине низводног пресека притоке. Ово повећање уноса количине кретања из притоке y реку није, међутим, праћено дубљим продирањем тока притоке y корито реке. Ток притоке, напротив, остаје “прилепљен” уз обалу на којој ce налази ушће, тако да ова обала, због повећаних брзина, постаје изложена подлокавању. За разлику од лабораторијских огледа, који при B/h «1.0 показују значајан утицај узводне закривљености притоке на струјну слику, код широких правоугаоних корита, утицај узводне закривљености je занемарљив. С обзиром на то да су и претходна исраживања уз коришћење просторних нумеричких модела заснованих на претпоставци о хидростатичком распореду притиска показала да ови мо- дели потцењују вертикалну компоненту брзине, y наставку истраживања требало би испитати и могућности модела код којих распоред притиска није хидростатички. С друге стране, имајући y виду да je расположиви фонд лабораторијских и теренских мерења на ушћима са издигнутим дном притоке јако скроман, требало би га проширити, јер ce једино натај начин могу сагледати све предности и недостаци постојећих просторних модела и дати предлози за њихово евентуално побољшање. Ови подаци били би корисни и за проверу предожног уопштеног линијског модела ушћа.

This dissertation deals with the hydrodynamics of discordant beds confluences. Although some twenty five years ago extensive field investigations revealed that the bed of one or both tributar­ ies was usually elevated above the bed of the post-confluence channel, hydrodynamics of such conflu­ ences has not yet been completely and adequately investigated and understood. Very little experimen­ tal and field data are available to describe complex flow patterns at these confluences and to answer what parameters control three-dimensional flow and mixing and transport processes. More precisely, only instantaneous measurements of the two velocity components in: 1) a sim­ plified laboratory confluence with a fixed bed and 2) one field confluence of the two small rivers in Canada are available, so far. While field investigations covered a range of momentum-flux ratio values of the confluent streams (MR), the laboratory experiment was conducted with the single momentum- flux ratio value. Moreover, no influence on the confluence hydrodynamics of either the junction angle (a), or bed elevation discordance, i.e. non-dimensional elevation of the tributary bed (Azjh) was ana­ lysed in this experiment. Thus, the dissertation attempts at gaining better insight into hydrodynamics of the discordant beds confluences. To do this, a 3D finite-volume-based numerical model with the multiblock grid (SSHM2) is used. In addition to the previously investigated confluences where the channels’ width-to- depth ratio was less than 3, confluences of wide-channels (with the ВЊ >5) are also considered in this dissertation. The numerical model is verified using previously reported experimental data (from three laboratory experiments) and the field data collected by the author during the course of her work on this dissertation. The flow field at several cross-sections downstream of the confluence of the two large alluvial rivers (the Sava and Danube Rivers) was measured from the moving vessel using ADCP device. At each cross-section several transects were made. The model verification also included a detailed assessment of the ^-e-type turbulence models that are commonly used in numerical modelling of 3D flow. It is shown that the standard k - e model provides better results than the modified and RNG k - e models. However, neither model can describe flow pattern in the regions with high velocity fluctuations as, for example, in the recirculation zone formed downstream of the down-stream junction comer. Consequently, the 3D model is used to investigate the influence of the four chosen parameters on the hydrodynamics of the discordant beds confluences with the lSzplh = 0.50. The choice of this t±zplh- value is based on the reported field data, which show that the most common value of the parameter at the discordant beds confluences is around 0.5. Apart from those parameters that were previously in­ vestigated in concordant beds confluences (junction angle a and momentum-flux ratio value MR), the influence of the width-ratio of the two upstream channels (Bp /BR) and upstream planform curvature (Rp IBp) in the tributary are also analysed. The results are discussed in terms of: 1) the two flow angles’ and 2) momentum-flux distributions at the tributary entrance to the confluence, as the two distribu­ tions are indicators of the momentum transfer from the tributary into the main river (the momentum transfer affects the penetration of the tributary flow into the main-river and mixing process down­ stream of the confluence); 3) pressure distribution, as it affects secondary circulation downstream of the confluence; 4) cross-sectional distributions of the a) velocity magnitudes of the three velocity com­ ponents and b) turbulence kinetic energy, downstream of the confluence; and 5) distributions of the non-dimensional bed shear stress and re-suspension number. It is shown that the correction coefficient for the average flow angle б at the tributary entrance to the confluence in the Hager’s analytical model is not constant, i.e. it depends on the a and MR. Ad­ ditionally, it is shown that the component of the tributary force of inertia that acts in the main-channel direction is overestimated by 30% if the average flow angle б is used to calculate this component. Fur­ ther, lowering of the high velocity core towards the bottom at the confluence and deviation of the shear layer from the vertical with the increase in the junction angle are direct consequences of the pressure reduction at the downstream junction corner and non-uniform momentum-flux distribution throughout the flow depth at the tributary entrance to the confluence. For the given MR-value, transfer of momentum (from the tributary to the main-river) per unit width of the tributary channel increases as the width of the tributary channel is reduced. However, the increase is not accompanied with the deep­ er penetration of the tributary flow into the main-river. The tributary flow stays on the tributary-side of the post-confluence channel, i.e. close to the river bank on the junction-side. In this case the stability of the opposite bank is not endangered. However, stability' of the river bank that lies on the junction- side might be endangered. Numerical simulations of the laboratory experiment with Blh =1.0 have shown significant in­ fluence of the upstream planform curvature on the confluence hydrodynamics. However, the influence of upstream planform curvature on the flow pattem at the junctions of wide-channels (Blh >5) is negligible. Results in this dissertation confirm that the vertical velocity component is under predicted when numerical model based on the rigid-lid assumption is used in the 3D flow modelling. Therefore, performance of the 3D models that account for non-hydrostatic pressure distribution should be exam­ ined in the future. On the other hand, having in mind that very little experimental and field data from the discordant beds confluences are available, further research should be focused on the collection of additional data. These data are needed for the assessment of the existing numerical models and possi­ ble improvement thereof. They could be also used for verification of the proposed general analytical model of a river confluence.