Hidrológiai Közlöny 2006 (86. évfolyam)
5. szám - Tanulmányok, ismertetések - Sokoray-Varga Béla–Józsa János: Akusztikus Doppler-elvű terepi turbulencia-mérések módszertana és adatelemzése
27 Akusztikus Doppler-elvű terepi turbulencia-mérések módszertana és adatelemzése Sokorav-Varga Béla, Józsa János Bp. Műszaki és Gazdaságtud. Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, 1111. Budapest, Műegyetem rkp. 3. Kmf. 4. Kivonat: Az akusztikus Doppler-elvü áramlásmérő eszközök a közelmúltban nagy fejlődésen mentek keresztül. Az ún. ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) korszerű, akusztikus Doppler-elvü vízsebesség-mérő berendezéstípus, amely időben olyan finom felbontású és térben olyan kis térfogatra összpontosított méréseket tesz lehetővé, ami különösen alkalmassá teszi turbulens áramlások vizsgálatára. A tanulmány az alkalmazott mérési elvet és egy konkrét, terepi viszonyok között is használható mérőműszert ismertet, továbbá a legfontosabb áramlási alap- és turbulencia-jellemzők mért adatokból való számítási módját tekinti át. Kulcsszavak: Aramlásmérés, akusztikus Doppler-elv, turbulencia, Nortek Vector 1. Bevezetés Napjainkban egyre korszerűbb mérőeszközök állnak rendelkezésre ahhoz, hogy a vízmérnöki gyakorlat számos területén előforduló turbulens áramlások elméletileg már jó ismert, és laboratóriumi viszonyok között viszonylag széles körben kimért jellemzőit terepi viszonyok is feltárhassuk. Ilyen igény lép fel például a napjainkban egyre fontosabb szerephez jutó hallépcsők tervezésénél és üzemeltetésénél. Ugyanis vízfolyásainkat ökológiai szempontból napjainkban egyre kívánatosabb, hogy jellemezze a hosszirányú folytonosság, ami feltétele annak, hogy a vízi fauna egyedei a folyó mentén, szabadon vándorolhassanak, azaz a víztest ökológiailag átjárható legyen. A folyók teljes keresztszelvényébe épített műtárgyak azonban rendszerint akadályai e feltétel megvalósulásának. Az átjárhatóság visszaállítására, pl. a halak számára különféle kialakítású hallépcsőket létesítenek. Ezek tervezése mind hidrodinamikai, mind ökológiai szempontból erősen egyszerűsített, tapasztalati, globális paraméterek alapján történik, annak érdekében, hogy a hallépcső összességében lehetővé tegye a hal számára a hallépcsőn való áthaladást. A halnak azonban az adott, rendszerint igen összetett áramlási tér részletein kell áthaladnia, ezért a hallépcsőben ténylegesen uralkodó áramlási viszonyok, ezen belül jelentős mértékben a turbulencia-jellemzők határozzák meg a hallépcső átbocsátott halfajtákban és hozamban értelmezett hatékonyságát. A tervezés módjában való előrelépéshez ezért kellően meg kell ismerni, mérni és számszerűsíteni kell a hallépcsőkben kialakuló hidrodinamikai viszonyokat. Jelen tanulmányban a Szigetközben létesített, és már évek óta működő Denkpáli hallépcsőben végrehajtott áramlástani vizsgálatokat használjuk fel arra, hogy bemutassuk a terepi turbulencia-mérések egy korszerű, akusztikus Doppler-elven alapuló módszerét, egy konkrét műszertípus felépítését, a műszer által szolgáltatott adatok jellegét, valamint a legfontosabb alapáramlási és turbulencia-jellemzők meghatározási módját. A hallépcső felső szakaszán műszaki kialakítású, alsó szakaszán tájba illeszkedő kialakítású medencék sorából épül fel, melyek mindegyikét nagy sebességű, összetett turbulens áramlási viszonyok jellemzik. A vizsgálat a hallépcső egyik műszaki kialakítású, függőleges terelőfalas medencéjére terjedt ki, fő célja a hallépcső e jellemző szakaszán a turbulencia-viszonyok számszerűsítése volt. Ismert, hogy a turbulencia mérése finom tér- és egyúttal finom időbeli felbontást igényel. A térbeli eloszlások feltárásához ráadásul ideális az lenne, ha a vizsgált áramlási tartomány nagyobb területére egyidejűleg, szinkronizálva hajtanánk végre méréseket, azonban erre alkalmas terepi eszközök még nem állnak rendelkezésre. Terepi viszonyok között jelenleg rendszerint csak egy-egy rögzített, kisméretű vízteret jellemző térbeli sebességvektort tudunk finom időbeni felbontással mérni. Ilyen méréseket tesznek lehetővé az ún. ADV ( Acoustic Doppler Velocimeter) mérőeszközök. Jelen tanulmányban egy ilyen eszköz kerül alkalmazásra, amely az adott hallépcső-medencében a turbulencia egészen kis léptékű tér-idő összetevőinek feltárását is lehetővé tevő sebességmérést tett lehetővé. Ugyan vizsgálatokhoz csupán egyetlen készülék állt rendelkezésre, a közel stacionárius hidrodinamikai viszonyok azonban lehetővé tették, hogy különböző pontokban egymás után végrehajtott mérések adatai egy nagyobb víztér elsődleges jellemzésére is alkalmasak legyenek, azaz elegendően nagyszámú pontban - megfelelő időtartamon keresztül - mért sebességvektor-idősorok feldolgozásával meg lehessen határozni mind az alapáramlás nagyléptékű (örvénylő) jellemzőit, mind pedig a különböző turbulencia jellemzőket, valamint azok keresztszelvény menti eloszlásait. Kiemelendő, hogy a vizsgáithoz hasonló nagysodrású, összetett áramlásban ismereteink szerint ilyen részletességű turbulencia-feltárást laboratóriumban igen, de terepi viszonyok között még nem végeztek. Amíg a meglévő áramlástani állapot feltárása mérésekkel elvégezhető, a műtárgyak kedvező kialakításának megtervezéséhez már vagy laboratóriumi kisminta vizsgálatra, vagy - célszerűen térbeli - numerikus áramlásmodellre van szükség. Utóbbit azonban jól dokumentált mérési adatokra kell kalibrálni, hiszen csak egy kalibrált, sőt további mérési adatokra igazolt modellről lehet a tervezésben kellő megbízhatóságot feltételezni. Ez a terepi mérési eredmények egy másik fontos felhasználási köre: a numerikus modellek kalibrálására való felhasználása. Megemlítjük, de részleteiben jelen tanulmányban nem taglaljuk, hogy a hivatkozott vizsgálatokhoz kapcsolódóan 3-dimenziós numerikus áramlási modellezés is indult, amelyhez a végrehajtott mérések kalibrációs adatokat szolgáltatnak. A fent vázolt kutatási munkáról való beszámolót két tanulmányba csoportosítva közöljük. Jelen, első tanulmány az ADV-müszerrel való mérés elvét, a mért adatokból származtatható alapáramlási és turbulencia jellemzők számítási módját tekinti át. Az ugyanezen számban közölt, kapcsolódó második tanulmány foglalkozik a Denkpáli hallépcsőben végrehajtott konkrét mérésekkel, és az eredmények bemutatásával.
