Hidrológiai Közlöny 2006 (86. évfolyam)
5. szám - Tanulmányok, ismertetések - Sokoray-Varga Béla–Józsa János: Térbeli turbulencia –mérések felhasználása hallépcsők hidraulikai elemzésében
40 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2006. 86. ÉVF. 5. SZ. A közel stacionárius hidrodinamikai viszonyok lehetővé tették, hogy az áramlás nagyléptékű térbeli jellemzőit is becsüljük. A folyadéktérben kialakuló sebességeloszlás egyenetlenségeit, különösen a sebességeloszlás nyírózónáit a vízrészecskék erös forgómozgása kíséri. Egy adott síkba eső sebesség-összetevők egyenetlensége például az érintett részecskéknek a síkra merőleges tengelyű forgását eredményezi, vagyis mozgásukat a haladás mellett egy szögsebesség is jellemzi. Ugyanilyen jelleggel lehetnek jelen szögsebesség-komponensek a többi koordinátairányban is. A térbeli szögsebesség-vektor megegyezik a sebességvektor-mező rotációjának a felével: 1 (dw dv 1 . 1 f du dw N (0 = — 2 1 dv dx dw dv dy dz du s dy . 1 i + — 2 rdu dz J + k 1 VT 1 — V x v = — rot v 2 2 (rotv), Mivel csupán két keresztszelvényben történt sebességmérés, a sebesség rotációjának az a komponense becsülhető kellő megbízhatósággal, amelyben nem kell x-irányú deriváltat felhasználni. Ez az áramlás y-z síkban való, x-tengelyü forgását jellemző mennyiség: dw dv Kdy dz r A deriváltakat a diszkrét mérési pontok értékei alapján, másodrendű centrális véges differencia elven közelítettük. A 14. ábrán látható a mért adatokból számított sebességrotáció x-irányú komponensének eloszlása. A rotáció-mezőn kivehető az y-z síkba eső két nagyobb és egy kisebb köröző áramlás: a medence bal oldalán egy az óramutató járásával megegyező, a medence jobb oldalán egy ezzel ellentétes (az óramutató járásával ellentétes) és a jobb oldal felső harmadában egy kisebb, az óramutató járásával megegyező értelmű. Ezek a térben kialakuló csavaráramlások (lásd 5. ábra) síkbeli „lenyomatai". Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a rotáció-mezőt pusztán a szelvénynek a mérési hálózattal lefedett részére becsültük, azt a perem közeli zónákra nem extrapoláltuk. 7. Összefoglalás A turbulens áramlások vizsgálata finom tér- és időbeli felbontást igényel, ezért a Denkpáli hallépcső függőleges terelőfalas, medencesoros részében terepi méréseinket korszerű, akusztikus Doppler-elvü 3-dimenziós sebességmérő berendezéssel végeztük el. A kiválasztott szelvényekben kijelölt ponthálózatában mért térbeli sebességvektor-idősorok alkalmasnak bizonyultak számos turbulencia-jellemző becslésére. A turbulencia-paraméterek számszerűsítésénél a szokásos, turbulens kinetikai energia számításán túl az Euler-féle integrál időléptéket, majd az Euler-féle integrál térléptéket is meghatároztuk, amely az áramlásban domináló örvények térméretének elsődleges becslését adja. Utóbbival azon halbiológiai kutatások jobb hidrodinamikai megalapozásához szándékoztunk hozzájárulni, amelyek kimutatták, hogy halak úszási teljesítménye ettől a jellemzőtől is jelentős mértékben függ. Az mért szelvényekben, az adott geometriai és vízhozam-viszonyok mellett az értékek 10-30 cm között alakultak, ami épp a vizsgálat régiójában honos halak jellemző hosszmérete. A közel stacionárius hidrodinamikai viszonyok folytán az egymás utáni mérések idősorai alkalmasak voltak alapáramlási jellemzők meghatározására is. így elő lehetett állítani egy-egy keresztszelvényben a rotáció medence hossztengelyébe eső összetevőjének keresztszelvény menti eloszlását, jobban megvilágítva ezzel az áramlás másodlagos struktúráját, mint az erős csavaráramlások velejáróját. Ennek felderítéséhez a függőleges irányú sebességek eloszlásának ismerte szükséges, amit pedig a vízszintes sebességekhez képest számos eddigi tanulmány (különösen a kisminta vizsgálaton alapulók) gyakran elhanyagolhatónak vélt, vagy nem vizsgált, ezzel alapvetően kétdimenziósnak tekintve az áramlást. Az elvégzett mérések és elemzés kiemelt jelentősége, hogy üzemelő hallépcsőben az általunk vizsgáithoz hasonló nagysodrású, összetett áramlási viszonyok között ismereteink szerint ilyen részletességű turbulencia-feltárást még nem végeztek. A vizsgálatok tehát egyúttal megmutatták, hogy az ilyen jellegű terepi áramlási viszonyok mérésekkel való feltárása sikerrel megvalósítható. Ha azonban a műtárgyak kedvező kialakításának tervezéséről van szó, annak igazán hatékony segédeszköze az áramlási viszonyok numerikus modellezése lehet. Ahogy az elemzésekből láttuk, esetünkben ez 3-dimenziós, magasrendű turbulencia-leírást tartalmazó modell kell, hogy legyen. A jól dokumentált mérési eredmények természetesen ebben az esetben is elengedhetetlenül szükségesek, nevezetesen az adott numerikus modell paramétereinek kalibrálásához, majd igazolásához. Csak ezt követően használható a modell az adott tervezési feladatban az egyes tervváltozatok összehasonlító kiértékelésére. Az ilyen irányú fejlesztési munkák már elkezdődtek, és az ígéretes első eredményekről nemzetközi konferenciapublikáció ad számot (Sokoray-Varga et al„ 2006). A vizsgálatok következő fázisában a modellezett turbulencia-jellemzők felhasználásával is becsülni fogjuk a domináló örvényméretet, és annak eloszlását, a mért értékek legalább nagyságrendi reprodukálhatóságának kimutatására. A további vizsgálatok között említendő még a halak úszási viselkedésének részletesebb elemzése a becsült örvényméretek és alapáramlási struktúra ismeretében. Az is feltárandó még, hogy az áramlási jellemzők milyen mértékben függvényei a fenék nagyméretű kövekkel megvalósított makró-méretű érdességének. Ahogy azt halbiológiai kutatások is alátámasztják, a hallépcsők paramétereit az ott honos halak fizikai terhelhetőségének figyelembevételével kell megválasztani, hiszen a különböző halfajok különböző jellegű sebességviszonyokkal tudnak sikerrel megbirkózni. A tervezés finomításához tehát további halbiológiai vizsgálatokra van szükség a helyi halfajok vándorlási tulajdonságainak, például a tipikusan ellenáram-feltételek közötti úszási teljesítőképességének részletes felderítésére (Mallen-Cooper, 1994). Köszönetnyilvánítás Az eredmények a „Felszíni vizek térbeli áramlási jellemzőinek mérése és paraméterezése" című, T030792 sz. OTKA-téma részbeni támogatásával jöttek létre. Irodalom Bedford, K. W Diffusion Dispersion and sub-grid parameterization. Coastal, Estuarial and Harbour Engineer's Book, Chapman&Hall, 1993. Mallen-Cooper, M.. How high can a fish jump. New Scientist, 142 (1921), 32-37.
