Steenstabiliteit in een turbulente stroming achter een afstap

Steenstabiliteit in een turbulente stroming achter een afstap

De Gunst, M.

D'Angremond, K. (mentor)
Schiereck, G.J. (mentor)
Fontijn, H.L. (mentor)
Booij, R. (mentor)
Verheij, H.J. (mentor)
Klok, P.J. (mentor)

Rijkswaterstaat. DWW

Civil Engineering and Geosciences

1999-09-01

Het onderwerp van deze studie is een niet-uniforme stroming waarin sprake is van een plaatselijk verhoogde aanval op het bodemmateriaal door de lokaal hogere turbulentie. In een 15 m lange stroomgoot met een breedte van 40 cm is door middel van een backward-facing step ofwel afstap een niet-uniforme stroming gecreeerd. Om de schade aan de bodembescherming vast te stellen is gebruik gemaakt van een strokenpatroon van stenen met verschillende kleuren. Uit het verloop van het aantal verplaatste stenen bij een toenemend debiet is de kritieke snelheid voor het begin van bewegen bepaald. Dit is gedaan voor zowel een uniforme als de niet-uniforme stromingssituatie zodat door vergelijking van de twee situaties de invloed van een niet-uniforme stroming op de stabiliteit van bodemmateriaal bepaald kan worden. Het begin van bewegen kan eenduidig vast gelegd worden door een enkele losliggende steen in een gefixeerd bed te plaatsen; de steen wordt verplaatst of blijft liggen terwijl bij een los bed van stenen een schadekriterium moet worden vastgesteld. Door in deze situatie de snelheden en drukken simultaan te meten en tegelijkertijd video-opnamen van de losse steen te maken, zijn de optredende fluctuaties te relateren aan de verschillende bewegingen en het verplaatsen van de losse steen. Op deze manier is het mogelijk om de bewegingen van stenen te relateren aan specifieke turbulente stromingssituaties. Het blijkt dat het meeste transport van bodemmateriaal optreedt op ca. 6-2 maal de afstaphoogte achter de afstap, wat ook te verwachten was gezien de resultaten van eerder gedaan onderzoek naar stroming achter een backward-facing step (Nakagawa & Nezu, ] 987). De belastingsfaktor in het geval van een niet-uniforme stroming is goed te bepalen met behulp van de gemeten snelheden. Tevens levet1 de vergelijking om een waarde van deze belastingsfaktor te berekenen, waarin de turbulentie-intensiteit wordt meegenomen, goede resultaten op. Voor een eerste ontwerp van een bodembescherming is de nauwkeurigheid van de zo verkregen belastingsfaktor voldoende. Uit vergelijking van de verschillende snelheden in de verschillende situaties blijkt dat de kritieke snelheid in het geval met een afstap ca. 5-7% lager ligt dan in het geval zonder afstap. Dit geldt zowel voor het geval van een strokenpatroon als in het geval van een enkele losse steen. De kritieke snelheid waarbij verplaatsen optreedt in het geval van een enkele losse steen ligt ca. 30% hoger dan in het geval van schade aan het strokenpatroon. Dit geldt zowel voor het geval met de afstap als in het geval van een vlakke bodem. De verschillende bewegingen van de losse steen zijn niet zonder meer terug te vinden in het verloop van het patroon van de snelheids- en drukfluctuaties in de buurt van de steen. Tevens komt het verloop van de drukfluctuaties niet goed overeen met het verloop van de snelheidsfluctuaties. Dit kan betekenen dat het oplossend vermogen van de druksensoren niet voldoende is om de belangrijkste drukfluctuaties te meten, zeker als blijkt dat de hoogfrequente drukfluctuaties de belangrijkste fluctuaties zouden zijn voor het verplaatsen van een steen. Uitgaande van de verwachting dat ook structuren op een zekere afstand van de steen drukfluctuaties ter plaatse van de steen kunnen opleveren, welke kunnen leiden tot het verplaatsen van de steen, zijn kruiscorrelaties van snelheids- en drukfluctuaties bepaald. De kruiscorrelatie van de snelheids- en drukfluctuaties bij de bodem blijkt een kleine waarde op te leveren. De grootste correlatie wordt gevonden tussen de drukfluctuaties bij de bodem en de snelheidsfluctuaties gemeten op ]2 cm boven het bed op een horizontale afstand van 10 cm van de druksensor.

turbulence
backwards facing step
stone stability

http://resolver.tudelft.nl/uuid:1a5f88a4-cc64-4edb-827e-7d9d1e83a961

TU Delft, Civil Engineering and Geosciences, Hydraulic Engineering

https://doi.org/10.4121/uuid:dfedfa35-cfdc-4d61-bf65-f71394b1700a

Student theses

master thesis

(c) 1999 M. de Gunst