Hidrológiai Közlöny 2010 (90. évfolyam)

1. szám - Kiss Melinda: Gátszakadáskor kialakuló sebességmezők feltárása részecskekövető laboratóriumi méréssel és numerikus modellezéssel

19 Gátszakadáskor kialakuló sebességmezők feltárása részecskekövető laboratóriumi méréssel és numerikus modellezéssel Kiss Melinda Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, 1111. Budapest, Műegyetem rkp. 3. Kivonat: Gátszakadási árhullámok laboratóriumi és numerikus áramlási modellel való összekapcsolt vizsgálatát ismerteti a tanulmány. A gyorsan lezajló, nagy tér- és időbeni változásokkal jellemzett folyamat felszíni sebességeloszlása laborkörülmények között részecskekövető képfeldolgozás-alapú (PTV) módszerrel került meghatározásra. Ugyanezen folyamatokat áramló, rohanó és átmeneti mozgásállapotot egységesen leképezni tudó, adaptív rácsháló-felbontási elvű kétdimenziós numerikus áramlási modellel számítva, a mérésekhez nagyrészt kielégítően közel álló eredmények adódtak. A tanulmány mind üres, mind különféle alvízi beépítettséget sematizáló eseteket vizsgál, különféle szakadási szélességek és felvízi vízszintek mellett, lakott területek gátszakadásból eredő katasztrófaszerű elöntési folyamatainak jobb megismerésére. Az értékelés kitér a folyamatok jellemzésére, az alkalmazott módszerek észlelt hiányosságaira, azok esetleges kiküszöbölési módjára, valamint a gyakorlati alkalmazási lehetőségekre. Kulcsszavak: gátszakadás, PTV, laboratóriumi modell, numerikus áramlási modell. 1. Bevezetés Napjaink vízmérnöki kutatásainak egyik legfontosabb területe az áradások, a lakott területek elöntésének szimulálása. Ezek a jelenségek nagy fenyegetést jelentenek a vízfolyások környéki településeken élőkre nézve, különösen, ha az elöntés váratlan, szokatlan esemény, például gátszakadás következménye, amelynél nincsenek kellőképpen felkészülve a védekezésre. Habár a vonatkozó vizsgálatok világszerte intenzíven folynak, a kutatások messze nem mondhatók egyszerű feladatnak. Ténylegesen lejátszódó gátszakadások numerikus modellezésénél gondot jelent, hogy a modell bearányosításához illetve igazolásához nem áll rendelkezésre elegendő adat a kialakuló vízmélységek és sebességek tekintetében. Ennek ellenére fontos lenne ismerni a jelenség során a víztömegre jellemző mozgást, mivel ez a védekezési munkához szolgálna hasznos információval. A hullámfront terjedésének ismeretében előre jelezhető lenne, hogy egyes területek mikor kerülnek víz alá, milyen időelőnyünk van a kimenekítési munkálatokhoz, milyen ütemben valósuljon meg az ideiglenes védmüvek kiépítése. A kialakuló vízszinteket, vízmélységeket ismerve fel lehetne mérni, hogy mely terület élvezzen prioritást a kármentesítésnél, illetve hogy hol van lehetősége a mentőalakulatnak megközelítenie az elöntött területet. A létrejövő sebességviszonyok és maximális sebességek szinténjelentős információ-tartalommal bírnak, mert meghatározható, ismeretükben a tereptárgyakra, építményekre ható nyomóerő és a dinamikus hatások megoszlása. A sebességviszonyok laboratóriumi vizsgálata szintén bonyolult feladat, ugyanis a folyamat nagyon gyorsan játszódik le. Ennek következtében a vizsgálatához nagy időbeli felbontású mérés szükséges, ráadásul előnyös, ha a folyamat jellemzőit egy időben számos helyen meg tudjuk határozni. Tanulmányunkban olyan eljárást mutatunk be és alkalmazunk, amellyel teljesíthetők ezek a követelmények, illetve róla az előzetes vizsgálatok azt is igazolták, hogy alkalmas a rohanó vízmozgás áramlóba való átmenetének mérésére, valamint, hogy nagy sebességeket és sebesség gradienseket is megfelelő mértékben képes értelmezni az eljárás. Azonban kezdettől kérdéses volt, hogy hol van a mérés alkalmazhatósági határa, lehetséges-e a módszerrel az előzetes vizsgálatoknál előforduló sebességeknél jóval nagyobb sebességek mérése, továbbá zavart áramlási viszonyok esetében alkalmas-e a sebességmezők kellő részletességű és pontosságú előállítására. A szakirodalomban számos cikk foglalkozik a gátszakadásokat követő elöntések során várható sebességek vizsgálatával. A közelmúltban megjelentek közül az a lábbiakban az általam is alkalmazott módszerhez hasonlókat tekintem át röviden. A töltésszakadás következtében lakott területre betörő víz mozgása, az épületek között bekövetkező áramlás és a kialakuló, település jelenléte nélküli vízszintnél nagyobb vízszintek meghatározását már mások is célul tűzték ki. Kiemelendő közülük Soares-Frazäo és mukatársai, akik laboratóriumi modellkísérleteket végeztek az elöntési hullám útjában elhelyezkedő akadályok hatására kialakuló sebességek és vízmélységek megismerésére. Vizsgáltak egyedülálló akadályt (Soares-Frazäo & Zech 2002, 2007), illetve 5><5 darab kockából álló akadály-együttest mind töltésre merőlegesen, mind ferdén (22,5°) elhelyezve (Soares-Frazäo et al. 2006, Soares-Frazäo & Zech 2008). Vízszintmérők segítségével több pontban mérte az alvízen a vízmélység időbeli változását, a sebességet pedig kétféle módon határozta meg: ADV-vel (Acoustic Doppler Velocimeter), amellyel 3,6 cm mélységben kapott sebességértékeket, illetve PTV (Partiele Tracking Velocimety) eljárással, amellyel felszíni sebességmező adódott. Az így kapott sebességeket numerikus modell-eredményekkel hasonlította össze, és jó egyezést tapasztalt. A képfeldolgozáson alapuló áramlási sebességmérő módszerek, úgymint a PTV és a PIV (Particle Tracking Velocimetry és Partiele Image Velocimetry) eljárások módszertani alapjait foglalja össze Sokoray-Varga és Józsa (2008a, 2008b). Bemutatnak továbbá egy olyan PTV eljárást, mellyel az egyik alkalmazási területre, a hidraulikai kisminta-kísérletekben történő felszíni sebességmérésre alkalmassá válik a mérési módszer. A felhasznált PTV algoritmus segítségével lehetőség nyílt térben és időben finom-felbontású sebességmezőket meghatározni mind nyugodt áramlási zónákban, mind a kisminta főmedre és hullámtere közötti turbulens nyírórétegek mentén, mindezt egyenetlen nyomjelző-anyag-eloszlás mellett. Kutatómunkám fő célja tehát a töltésmegnyitáskor létrejövő áramlások sebességviszonyainak feltárása volt. Az előbb említett részecskekövetés-alapú sebességmérő eljárást alkalmaztam különböző kialakítású esetekben gátszakadás laboratóriumi modellkísérletében, illetve az így kapott sebességmezőket összevetettem a speciálisan ilyen folyamatok lekezelésére kifejlesztett numerikus