Numerical and Experimental Investigation of a Sharp-Crested Weir Nappe

Die hydraulische Situation des Fischabstiegs an überströmten Wehren ist mit der Entwicklung des Überfallstrahls während des freien Falls verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss von oberstromseitig eingetragener Turbulenz auf die Entwicklung des Überfallstrahls eines scharfkantigen Wehres zu untersuchen. Numerische und experimentelle Untersuchungen für unterschiedliche turbulente Intensitäten und Volumenströme wurden durchgeführt. Die numerischen Untersuchungen basieren auf der Volume-of-Fluid Methode mit Large Eddy Simulations (LES) und unsteady Reynolds-averaged Navier Stokes (URANS) Modellen. ... mehrÜberfallstrahlen mit 1~m Breite und einer Falltiefe von 6~m werden für Volumenströme von $0{,}16~\mathrm{m^3/s} \leq Q \leq 0{,}64~\mathrm{m^3/s}$ und turbulente Intensitäten im Bereich $7{,}5~\%\leq I\leq 19{,}7~\%$ 1~m oberstrom des Wehres gemessen modelliert. Die Ergebnisse zeigen, dass turbulente Intensität und insbesondere die großskaligen turbulenten Strukturen die Deformation der Strahloberfläche vorantreiben. Außerdem vergrößert sich die Deformation mit steigender turbulenter Intensität, was in der Aufweitung des Überfallstrahls resultiert. Für größere Volumenströme startet die Strahlaufweitung bei tieferen Falltiefen, nimmt jedoch an Wirkung zu. Dadurch wird die Aufweitung des Überfallstrahls bezüglich der anfänglichen Dicke des Überfallstrahls mit zunehmender Falltiefe immer unabhängiger vom Volumenstrom. Der Vergleich von LES und URANS Simulationen zeigt, dass die Deformation der Oberfläche des Überfallstrahls aufgrund oberstromseitiger Turbulenz stark von URANS Modellen unterschätzt wird.

Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem Überfallstrahl mit einer Breite von 1~m und einer Falltiefe von 9,5~m mit einem Volumenstrom von $Q=\mathrm{0{,}1515~m^3/s}$ durchgeführt. Die Entwicklung des Überfallstrahls wird auf drei Falltiefen $Z_\mathrm{d}=\mathrm{0{,}8~m}$, $\mathrm{3{,}3~m}$ und $\mathrm{7~m}$ mit Leitfähigkeitssonden gemessen. Die daraus resultierenden Überfallstrahlprofile zeigen, dass sich der Überfallstrahl von $Z_\mathrm{d}=\mathrm{0{,}8~m}$ nach $Z_\mathrm{d}=\mathrm{3{,}3~m}$ einengt und auf einer Falltiefe von $Z_\mathrm{d}=\mathrm{7~m}$ wieder aufweitet. Eine Langzeitmessung (10~h) des Hohlraumanteils in Kombination mit einer Volumenstrommessung wurde durchgeführt und zeigt, dass kleine Fluktuationen im Volumenstrom bemerkbare Auswirkungen auf den Hohlraumanteil an der Wasser-Luft Grenzschicht haben. Weitere Untersuchungen erklären die Schwankungen des Hohlraumanteils mit der Veränderung der Trajektorie des Überfallstrahls, welche mit Schwankungen des Volumenstroms einhergeht. Der \mbox{Vergleich} der Entwicklung des Überfallstrahls der numerischen und der experimentellen Untersuchungen zeigt einen ähnlichen Trend für Falltiefen bis $\mathrm{3{,}3~m}$. Dies wird auch durch einen visuellen Vergleich der aus den numerischen Modellen abgeleiteten Überfallstrahloberflächen mit Fotos des experimentell untersuchten Überfallstrahls unterstützt. Für tiefere Falltiefen ist die Aufweitung des experimentellen Überfallstrahls deutlich größer im Vergleich zu der Aufweitung des numerischen Überfallstrahls. Dies lässt vermuten, dass die kontinuierliche Einengung des Kernbereichs des Überfallstrahls in Kombination mit hohen Geschwindigkeiten den Einfluss aerodynamischer Effekte an der Wasser-Luft Grenzschicht vergrößert, welche nicht von dem numerischen Modell abgebildet werden.

This thesis investigates the influence of upstream induced turbulence on the development of a sharp-crested weir nappe by applying 3D numerical and experimental investigations. The numerical investigations were based on the Volume-of-Fluid method with Large Eddy Simulations (LES) and unsteady Reynolds-averaged Navier Stokes (URANS) models. Nappes of 1~m width and a drop depth of 6~m were modeled with volume flow rates of $0.16~\mathrm{m^3/s} \leq Q \leq 0.64~\mathrm{m^3/s}$ and turbulence intensities ranging $7.5~\%\leq I\leq 19.7~\%$ measured 1~m upstream of the weir. The results reveal that turbulence intensity and in particular the large-scale turbulent structures drive the deformation of the nappe surface. ... mehrFurthermore, the deformation increases with increasing turbulence intensity, resulting in lateral nappe widening. For higher volume flow rates, lateral nappe widening starts at deeper drop depths, but increases in effect. As a result, lateral nappe widening becomes more and more independent from volume flow rate concerning the initial lateral nappe width with increasing drop depth. The comparison of LES and URANS simulations shows that the nappe surface deformation due to upstream turbulence is highly underestimated by URANS models.

The experimental investigations were carried out on a nappe of 1~m width and a drop depth of 9.5~m with a volume flow rate of $\mathrm{0.1515~\mathrm{m^3/s}}$. The nappe development was measured with conductivity probes at three drop depths $Z_\mathrm{d}=0.8~\mathrm{m}$, 3.3~m and 7~m. The resulting nappe profiles show that the nappe narrows from $Z_\mathrm{d}=0.8~\mathrm{m}$ to $Z_\mathrm{d}=3.3~\mathrm{m}$ and widens again at a drop depth of $Z_\mathrm{d}=7~\mathrm{m}$. A long-term (10~h) void fraction measurement in combination with a volume flow rate measurement was performed and shows that small fluctuations in the volume flow rate have noticeable effects on the void fraction at the water-air interface. Further investigations explain these void fraction variations with the change in nappe trajectory which accompanies volume flow rate fluctuations.

The comparison of the nappe development of the numerical and the experimental investigations shows a similar trend for drop depths up to 3.3~m. This is also supported by visual comparison of the derived nappe surfaces from numerical investigations with photos taken from the experimental nappe. For deeper drop depths, the experimental lateral nappe widening is significantly stronger compared to the numerical lateral nappe widening. This suggests that the continuous narrowing of the nappe core in combination with high velocities increases the influence of aerodynamic effects at the water air interface, which are not captured by the numerical model.