Hidrológiai tájékoztató, 2015
DIPLOMAMUNKA PÁLYÁZATOK - Pálfi Gergely: A lebegtetett hordalék-koncentráció meghatározása nem-permanens áramlásban Akusztikus Doppler-elvű sebességmérő felhasználásával
A lebegtetett hordalék-koncentráció meghatározása nem-permanens áramlásban Akusztikus Doppler-elvű sebességmérő felhasználásával * PÁLFI GERGELY Az akusztikus Doppler-elvű mérési technika használata az áramlásméréseknél ma már mindennapos a mérnöki gyakorlatban. Számos eszköz áll rendelkezésre, melyekkel gyorsan, nagy tér- és időbeli felbontással kaphatunk információt az áramlási viszonyokról egy adott szelvényben. Az áramlási paramétereken belül a lebegtetett hordalék tömege egy vízfolyásban fontos állapot- változó mérnöki, környezetvédelmi és gazdasági szempontból egyaránt. A hagyományos hordalékmérési eljárások napjainkban néha nagyfokú bizonytalansággal terheltek, valamint költség- és időigényesek. Egy továbbfejlesztett módszerrel, felhasználva a számos akusztikus Doppler sebességmérés eredményét, meghatározhatóvá válik a hordalékkoncetráció, ezáltal a hordalék-transzport mértéke. Bevezetés, célok Jelen dolgozatban egy mérési sorozat eredményeit mutatom be, melyeket a trondheimi, Norvégiái Műszaki Tudomány-egyetem (NTNU) világszínvonalú hidraulikai laboratóriumában volt szerencsém elvégezni. A vizsgálat célja, hogy tanulmányoztam a lebegtetett hordalékkoncentráció (SSC) meghatározására való lehetőséget egy ADV eszközzel, különböző ágyazati anyagokat felhasználva permanens ill. nem permanens áramlási viszonyok közt. Az ADV-n túl az SSC értéke egy LISST-SL lézeres hordelékmérési eszközzel is meg lett határozva, hogy rendelkezésre álljon validációs adat az ADV mérésekhez. Mérőeszközök A laboratóriumi mérések alkalmával két mérőeszközt használtam. Mindkettő a norvég Nortek cég által gyártott sebességmérő, a Vectrino+ és a továbbfejlesztett Vectrino II. A lényegi különbség a két eszköz között a Vectrino II szélesebb skálája volt a visszaérkező jel zajterhelését illetően. A Vectrino egy magas felbontású, akusztikus sebességmérő, melyet a 3 különböző tengely menti sebességkomponensek mérésére használnak a világon számos helyen. A Doppler-effektet használja ki, hogy meghatározza az áramlás sebességét. Ha a hangforrás vagy az észlelő mozgásban van, az érzékelt hangfrekvencia változik, amely mérhető. A Vectrino rövid hangimpulzusokat bocsájt ki fix frekvencián, ami visszaverődik a vízben levő apró részecskékről, az eszköz észleli a visszaverődött jelet és kiszámítja a kettő frekvenciakülönbségéből hogy amiről visszaverődött az milyen sebességgel mozog. Az eszköznek három jelküldője van, melyek egymáshoz képest úgy helyezkednek el, hogy a visszérkező jelekből végük kiszámítható a három, egymásra merőleges sebességkomponens értéke. Az SSC meghatározásához azonban nem a mért sebesség-komponenseket, hanem a visszaérkező jelnek a jel/zaj arányát használjuk fel. Ez az ún. SNR (signal-tonoise ratio), ami egy indikátor érték, amellyel sebességmérésnél a mérést jellemezhetjük. Decibelben kifejezve, az SNR értékét a következő képpen kaphatjuk meg: SSRde = 10.íopl0^j Számos hatás befolyásolja az SNR érték alakulását, nem csupán a lebegtetett hordalék, függ továbbá a víz hőmérsékletétől, a lebegtetett hordalék eloszlásának homogenitásától, az ADV eszköz áramellátásának nagyságától, stb. Mindazonáltal elmondható, hogy a legnagyobb súllyal mégiscsak az SSC játszik szerepet, azonban nem szabad megfeledkeznünk a többi tényezőről sem. Felhasznált ágyazati anyagok Egy- és többfrakciós ágyazati anyagokat is vizsgáltam. A többfrakciós vizsgálatnál a nagyobb köveket a modellcsatomában golf-labdák reprezentálták. A finom részecskékhez öt különböző anyagot próbáltam ki: finomszemcséjű homokot, üvegport, agyagport, szénport és bentonitot. SAND Vectrino2 101 102 103 104 Concentration [mg/l] /. ábra. A tesz eredménye homok használatával Az ok a számos finom-hordalék használatára, hogy megfigyelhessük, melyik anyag a legalkalmasabb arra, hogy vizsgáljuk az SSC és SNR értékek közti kapcsolatot. A golflabdák használata lehetővé teszi hogy vizsgáljuk a nagyobb kövek mögött megrekedő finom hordalék mozgását is. Nem-permanens áramlási vizsgálatok A nem permanens áramlásos mérések alatt azonos mérési metodikát alkalmaztunk a zárt rendszernek tekinthető tesztcsatornában minden egyes mérésnél. A csatorna lassan lett feltöltve vízzel, hogy a finom szemécséket ne keverjük föl. Elindítva a szivattyút lassú vízmozgás alakult ki. A vízhozam meghatározott fokozatonként lett emelve, és figyeltünk arra is hogy kellő idő teljen el két szivattyúállítás között, hogy beállhasson a vízhozam. Az SNR értékek folyamatosan monitorozva voltak és 16 Hz-es frekvenciával lettek eltárolva. A víz18
