ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΟΧΕΤΕΥΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΕ ΑΝΟΙΚΤΟ ΑΓΩΓΟ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΠΑΛΑΦΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΣΑΟΥΛΙΔΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΕΡΑΜΑΡΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 27 1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί τμηματική εργασία του Τομέα Υδραυλικών έργων του Τμήματος Πολιτικών Έργων Υποδομής του Α.Τ.Ε.Ι.Θ με σκοπό την πειραματική μελέτη της παρουσίας εκχειλιστή πλατειάς στέψης ορθογωνικής διατομής σε ανοιχτό αγωγό με τον υπολογισμό του συντελεστή παροχής (cd) και την επίδραση της διαπερατότητας των διάφορων ειδών εκχειλιστών στο προφίλ ροής και την παροχή αυτών. Η εργασία γενικά χωρίζεται σε δυο μέρη: α) το πειραματικό μέρος όπου με την βοήθεια διάταξης που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο Υδραυλικής του Τομέα Υδραυλικής κ Τεχνικού Περιβάλλοντος του ΑΠΘ, όπου και έλαβαν χώρα οι εργαστηριακές μετρήσεις και β) το υπολογιστικό μέρος όπου και εκπονήθηκε σε δεύτερη φάση η παρούσα εργασία. Η συγκεκριμένη εργασία αποτελείται από 6 κεφάλαια εκ των οποίων στο πρώτο γίνεται μια γενική εισαγωγή επί του θέματος των εκχειλιστών, στο δεύτερο παραθέτεται μια βιβλιογραφική αναφορά σε προγενέστερες μετρήσεις και μελέτες για την επίδραση διαφόρων ειδών εκχειλιστών καθώς και αναλυτικό τυπολόγιο και διαγράμματα για τους επιμέρους υπολογισμούς, εν συνεχεία στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η πειραματική διάταξη, οι εργαστηριακές μετρήσεις που έγιναν και τα προφίλ ροής αυτών, στο τέταρτο ακολουθεί η ανάλυση των αποτελεσμάτων με τους επιμέρους υπολογισμούς και διαγράμματα, στο πέμπτο αναφέρονται τα συμπεράσματα της εργασίας και τέλος στο έκτο η βιβλιογραφία. 2

Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον καθηγητή κ. Κεραμάρη, υπεύθυνο καθηγητή για την εκπόνηση της εργασίας και τον καθηγητή του Α.Π.Θ. κ. Πρίνο για την παραχώρηση του εργαστηρίου της υδραυλικής και για την βοήθειά του. Τέλος θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειες μας για την ανεκτίμητη στήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΠΑΛΑΦΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΣΑΟΥΛΙΔΗΣ Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 27 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ σελ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ..8 2.1.ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΠΟ ΦΟΡΤΙΟ 8 2.2.ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΕΣ ΜΕ ΠΑΧΙΑ ΣΤΕΨΗ 9 2.3.ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΟΙ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΕΣ ΠΑΧΙΑΣ ΣΤΕΨΗΣ 13 2.4.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΤΡΙΓΩΝΙΚΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ ΛΕΠΤΗΣ ΣΤΕΨΗΣ.. 17 2.5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΤΩΝ MICHIOKU ET AL..21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 23 3.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΡΟΗΣ. 23 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ..24 3.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ ΣΤΟ ΠΡΟΦΙΛ ΡΟΗΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ. 27 3.3.1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΔΙΑΠΕΡΑΤΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ (ΞΥΛΟ, N=) ΓΙΑ ΜΗΚΗ ΣΤΕΨΗΣ (84CM, 6CM Κ 3CM).28 3.3.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ 1 (ΣΚΥΡΑ, N=.55) ΓΙΑ ΜΗΚΗ ΣΤΕΨΗΣ (84CM, 6CM Κ 3CM) 31 4

3.3.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ 2 (ΓΑΡΜΠΙΛΙ, N=.42) ΓΙΑ ΜΗΚΗ ΣΤΕΨΗΣ (84CM, 6CM Κ 3CM) 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ.37 4.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ ΣΤΗ ΠΑΡΟΧΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΡ. ΒΑΘΟΥΣ (H ΚΡ ) Κ ΣΥΝΤ. ΠΑΡΟΧΗΣ (Cd)...37 4.1.1. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΑΡΟΧΗΣ (Q), ΚΡ. ΒΑΘΟΥΣ (H ΚΡ ), ΣΥΝΤ. ΠΑΡΟΧΗΣ (CD) ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΙΚΗ ΣΧΕΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΒΑΘΟΥΣ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ (ΞΥΛΟ).39 4.1.2. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΑΡΟΧΗΣ (Q), ΚΡ. ΒΑΘΟΥΣ (H ΚΡ ), ΣΥΝΤ. ΠΑΡΟΧΗΣ (Cd) ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΙΚΗ ΣΧΕΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΒΑΘΟΥΣ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ 1 (ΣΚΥΡΑ)...42 4.1.3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΠΑΡΟΧΗΣ (Q), ΚΡ. ΒΑΘΟΥΣ (H ΚΡ ), ΣΥΝΤ. ΠΑΡΟΧΗΣ (Cd) ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΙΚΗ ΣΧΕΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΒΑΘΟΥΣ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ΕΚΧΕΙΛΙΣΤΗ 2 (ΓΑΡΠΙΛΙ) 45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...49 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (Α)...... ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ...5 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι εκχειλιστές συνήθως είναι αδιαπέρατοι και κατασκευάζονται από σκυρόδεμα, μέταλλο, λάστιχο κ.λ.π., λόγω της βασικής τους λειτουργίας να συγκρατούν νερό και να ρυθμίζουν τη ροή των ποταμών αποτελεσματικότερα. Αυτό όμως εμποδίζει την κατά (γεωγραφικό) μήκος κίνηση των υδρόβιων ζωών και την εκροή νερού, γεγονός που τελικά δημιουργεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον του ποταμού. Οι περισσότεροι εξ αυτών έχουν κατασκευασθεί και διατηρηθεί από τις τοπικές κοινωνίες για πολλά χρόνια αλλά δεν σχεδιάσθηκαν με βάση την υδραυλική μηχανική. Ο εκχειλιστής είναι διαπερατός αλλά κατά τη λειτουργία του συγκρατεί σημαντικές ποσότητες νερού. Λόγω της πορώδους κατασκευής του ο εκχειλιστής επιτρέπει την μετανάστευση των υδρόβιων οργανισμών κατά τη φορά της ροής. Επίσης, φυσικές και χημικές ουσίες μπορούν να περάσουν κι έτσι ελαχιστοποιείται η αρνητική επίδραση της κατασκευής στο περιβάλλον του ποταμού. Ακόμη, συντελείται εξαερισμός μέσω της ανταλλαγής αέρα - νερού η οποία γίνεται λόγω τυρβώδους ροής εντός του εκχειλιστή. Συγκρινόμενος με τους συνήθεις συμβατικούς εκχειλιστές, ο εκχειλιστής από χαλίκι αναμένεται να είναι πολύ πιο φιλικός στο περιβάλλον. Για το σχεδιασμό της κατασκευής πρέπει να γνωρίζουμε τις υδροδυναμικές ιδιότητες του εκχειλιστή από χαλίκι, ενώ αντιθέτως λίγα είναι γνωστά για αυτού του είδους τις κατασκευές ως τώρα. 6

Εξ ορισμού, εκχειλιστής είναι μια σχισμή (εγκοπή) δεδομένου σχήματος μέσω της οποίας διέρχεται το νερό. Ανάλογα με το σχήμα της εγκοπής έχουμε εκχειλιστές σχήματος V, ορθογωνικούς, τραπεζοειδείς και παραβολικούς. Η σχέση για τον υπολογισμό της παροχής μέσω ενός εκχειλιστή δεν μπορεί να προσδιορισθεί με ακρίβεια διότι: (α) Τα χαρακτηριστικά της ροής διαφέρουν ανάλογα με το σχήμα του εκχειλιστή και (β) Τα χαρακτηριστικά της ροής μεταβάλλονται με την παροχή. Η συγκεκριμένη εργασία αφορά τη μελέτη της παρουσίας πορώδους εκχειλιστή πλατειάς στέψης ορθογωνικής διατομής. Η πειραματική διάταξη αποτελούνταν από ένα ανοικτό κανάλι, ένα φρεάτιο, και τέλος μια δεξαμενή με τριγωνικό εκχειλιστή στέψης με κατάλληλη διάταξη για τη μέτρηση της παροχής. Στην πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν τρεις εκχειλιστές από διαφορετικό υλικό και τρία διαφορετικά μήκη για τον κάθε ένα: δύο πορώδεις εκχειλιστές από γαρμπίλι. και σκύρα αντίστοιχα και ένας αδιαπέρετος από ξύλο θαλάσσης. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι εκχειλιστές σε φωτογραφίες και παρατίθεται ο τρόπος υπολογισμού της παροχής με τη βοήθεια του τριγωνικού εκχειλιστή, οι πειραματικές μετρήσεις και υπολογισμοί για την επίδραση της διαπερατότητας των διάφορων ειδών εκχειλιστών στο προφίλ ροής και την παροχή αυτών και συγκριτικά διαγράμματα της παροχής σε κάθε περίπτωση. Τέλος διερευνάται η επίδραση του πορώδους, και του βάθους ροής στην παροχετευτικότητα καθώς και ο υπολογισμός του πορώδους των δύο υλικών που χρησιμοποιήθηκαν (σκύρα και γαρμπίλι). 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ 2.1 Μέτρηση της παροχής από το φορτίο Για τη μέτρηση της παροχής από το φορτίο χρειάζεται η διαμόρφωση μιας διατομής κατά τρόπο που η ροή να γίνεται κρίσιμη όταν περνάει από τη διατομή. Έτσι μετρώντας το φορτίο ανάντη και θεωρώντας αμελητέα την κινητική ενέργεια πριν από τη διατομή, μπορούμε να προσδιορίσουμε την παροχή με τη βοήθεια των χαρακτηριστικών σχέσεων ή διαγραμμάτων της κάθε μορφής που έχει επιλεγεί. Κατά μήκος μίας γραμμικής ροής ισχύει η εξίσωση Bernoulli μεταξύ δύο σημείων 1 και 2: 2 2 v1 P1 v2 P2 z1 z2 2g pg 2g pg όπου Ζ: φορτίο θέσης V 2 /2g: φορτίο ταχύτητας P/pg: φορτίο πίεσης Σχήμα 2.1 Η ενέργεια κατά τη ροή. 8

Οι τρόποι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της παροχής από το φορτίο δίνονται στο παρακάτω διάγραμμα. ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Εκχειλιστές Εκχειλιστές Διώρυγες με Εκροής με παχιά με αιχμηρά στένωση από οπές στέψη χείλη 2.2 Εκχειλιστές με παχιά στέψη Οι εκχειλιστές αυτής της μορφής έχουν οριζόντια στέψη, πάνω από την οποία περνάει το νερό κατά ευθείες και παράλληλες γραμμές ροής. Για να επιτευχθεί αυτό, το μήκος του εκχειλιστή κατά τη διεύθυνση της ροής πρέπει να συνδέεται με to ενεργειακό φορτίο με τη σχέση H L,8 γιατί αλλιώς οι απώλειες πάνω από τον εκχειλιστή δεν είναι δυνατό να θεωρηθούν αμελητέες. Αν η κατασκευή έγινε σωστά, έτσι που να μην υπάρχουν σημαντικές απώλειες στη ζώνη επιτάχυνσης της ροής, σύμφωνα με την εξίσωση του Bernoulli θα έχουμε: 2 v1 H1 h1 y 2g 2 v 2g και V 2g H 1 y 9

με Η 1 το συνολικό ενεργειακό φορτίο πάνω από τη στέψη του εκχειλιστή (Σχ.2.2) Σχήμα 2.2 Ροή πάνω από έναν εκχειλιστή με φαρδιά στέψη Αντικαθιστώντας Q v παίρνουμε E Q E 2g H 1 y Με την προϋπόθεση ότι πάνω από τη στέψη η ροή θα είναι κρίσιμη, (y = y c ) η προηγούμενη σχέση γίνεται: Q E 2g H y (1) c 1 c Αν η μορφή της διατομής του εκχειλιστή είναι ορθογωνική τότε E C = b y c και y c = 2/3 H 1 οπότε η σχέση (1) γίνεται 2 2 Q ( g) 3 3,5 b H 1,5 1 1

Η σχέση αυτή στηρίζεται σε υποθέσεις (έλλειψη στροβιλισμών, αμελητέα κινητική ενέργεια, κ.α.) που στην πραγματικότητα υπάρχουν και επηρεάζουν τη ροή. Για το λόγο αυτό εισάγεται ένας συντελεστής παροχής C d που εξαρτάται από τη μορφή και τη διατομή του εκχειλιστή. Έτσι Q c 2 3 2 g b 3 1,5 d H 1 To Η 1 όμως είναι το ενεργειακό φορτίο που δεν μετριέται στην πράξη. Εκείνο που μετριέται είναι ένα βάθος ροής h 1 με την υπόθεση ότι το φορτίο της κινητικής ενεργείας είναι αμελητέο. Για τη διόρθωση της αυθαίρετης αυτής υπόθεσης, εισάγεται ένας άλλος συντελεστής ταχύτητας αυτή τη φορά οπότε η προηγούμενη σχέση γίνεται Q c d c v 2 3 2 gb 3 h 1,5 1 Ο συντελεστής ταχύτητας είναι C V = (H 1 /h 1 ) u με u αριθμό εξαρτώμενο από τη μορφή τη διατομής του εκχειλιστή και ίσο με τον εκθέτη του h 1. Οι παροχές για διάφορες μορφές διατομών δίνονται στο παρακάτω σχήμα: 11

Σχήμα 2.3 Σχέση φορτίου παροχής για διάφορους εκχειλιστές πλατιάς στέψης. 12

2.3 Ορθογωνικοί Εκχειλιστές Παχιάς Στέψης Από άποψη κατασκευής, ο ορθογωνικός εκχειλιστής είναι μια απλή κατασκευή μέτρησης της παροχής. Οι ανάντη και κατάντη πλευρές του εκχειλιστή είναι λείες και θα πρέπει να σχηματίζουν 9 γωνία με το οριζόντιο τμήμα του (την στέψη). Το Σχ. 2.4 δείχνει ένα τέτοιο εκχειλιστή με τις συνήθεις διαστάσεις του (Bos, 199). Σχήμα 2.4 Ορθογωνικοί Εκχειλιστές με συνήθεις διαστάσεις. Ανάλογα με την τιμή της παραμέτρου H 1 /L διακρίνουμε 4 διαφορετικούς τύπους ροών. 1. H 1 /L<,8: Στην περιοχή αυτή η ροή πάνω από την στέψη του εκχειλιστή είναι υποκρίσιμη και επομένως ο εκχειλιστής δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση της παροχής. 13

2..8<Η 1 /L<.33: Στην περιοχή αυτή ο εκχειλιστής μπορεί να θεωρηθεί σαν εκχειλιστής πλατειάς στέψης αφού υπάρχει μια περιοχή παράλληλης ροής κοντά στο μέσον της στέψης. Στην περιοχή αυτή η τιμή του C D είναι σταθερή. 3.,33< Η 1 /L<1.5-1.8: Στην περιοχή αυτή, ο εκχειλιστής μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν λεπτής στέψης. 4. 1,5<Η 1 /L: Στην περιοχή αυτή, το ρευστό μπορεί να αποκολληθεί πλήρως από την στέψη και η ροή πάνω από τον εκχειλιστή είναι ασταθής. Για τιμές Hi/L μεγαλύτερες από 3 η ροή γίνεται ευσταθής και ο εκχειλιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εκχειλιστής λεπτής στέψης. Για ορθογωνικό εκχειλιστή η εξίσωση για τον προσδιορισμό της παροχής είναι: Q= C d C ν (2/3)(2g/3) ½ b c h 1 1.5 Σύμφωνα με πειραματικές μελέτες ότι ο συντελεστής C D είναι συνάρτηση των παραμέτρων h 1 /L και h 1 /(h 1+p ). Ο C D είναι σταθερός για.8 < h 1 /L <.33 και h 1 /(h 1+ρ ) <.35 και έχει τιμή ίση με.848 (Σχήμα 2.5). Αν κάποια από τις προηγούμενες σχέσεις δεν ικανοποιείται τότε ο C D θα πρέπει να πολ/σθεί με ένα διορθωτικό συντελεστή F που μπορεί να υπολογισθεί από το (Σχήμα 2.6). Μετά τον υπολογισμό του C D ο συντελεστής C v μπορεί να προσδιορισθεί από το (Σχήμα 2.7). 14

Σχήμα 2.5 Τιμές του C D σαν συνάρτηση των παραμέτρων h 1 /L για h 1 /(h 1 +p)<,35 Σχήμα 2.6 Διορθωτικός συντελεστής F σαν συνάρτηση του h 1 /L και h 1 /(h 1+ρ ) (Singer, 199) 15

Σχήμα 2.7 (Bos, 1977) Τιμές του C v σε συνάρτηση του λόγου των εμβαδών 16

2.4 Υπολογισμός της παροχής παρουσία τριγωνικού εκχειλιστή λεπτής στέψης Ο τριγωνικός εκχειλιστής μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν μια σχισμή σχήματος V, Τοποθετημένη συμμετρικά σε μια λεπτή επίπεδη πλάκα που με τη σειρά της τοποθετείται κάθετα στις πλευρές και το πυθμένα του ανοικτού αγωγού. Σχήμα 2.8 Τριγωνικός εκχειλιστής Οι παρακάτω κατηγορίες συναντώνται σε τριγωνικούς εκχειλιστές: (α) Εκχειλιστής πλήρους συστολής και (β) Εκχειλιστής μερικής συστολής. Οι δύο παραπάνω τύποι εκχειλιστών μπορούν να χωρισθούν ανάλογα με τις τιμές των h 1 /p 1, h 1 /B 1, h 1,p 1 και Β 1. (Πίνακας 1). Από τον πίνακα φαίνεται ότι για μικρά h 1 ο εκχειλιστής είναι πλήρους συστολής ενώ με αύξηση του h 1 ο εκχειλιστής γίνεται μερικής συστολής. 17

Η εξίσωση που εφαρμόζεται για εκχειλιστές μερικής και πλήρους συστολής δίνεται από την σχέση: Q C 8 15 θ 2g tan 2 2,5 d h e όπου θ = γωνία εκχειλιστή, h e = ενεργό ύψος ίσο με h 1 + K h. Η παράμετρος K h παίρνει υπόψη τις επιδράσεις των ιδιοτήτων του ρευστού. Τιμές του K h σαν συνάρτηση της γωνίας θ δίνονται στο (Σχ.2.9) Ο συντελεστής παροχής C d είναι συνάρτηση των h 1 /p 1, p/b 1 και θ. Αν έχουμε h 1 /p 1 <.4 και h 1 /B 1 <.2, ο εκχειλιστής είναι πλήρους συστολής και ο C d είναι μόνο συνάρτηση της γωνίας θ. (Σχ. 2.1). Σε περίπτωση που η συστολή της δέσμης δεν είναι πλήρως αναπτυγμένη η τιμή του C d δίνεται από το (Σχ. 2.11) για εκχειλιστή με θ=9. Για άλλες τιμές της γωνίας θ και εκχειλιστές μερικής συστολής δεν υπάρχουν αρκετά πειραματικά δεδομένα για την εξαγωγή του C D. Οι παρακάτω 5 περιορισμοί θα πρέπει να ληφθούν υπόψη στην χρήση των εκχειλιστών αυτών: (α)h 1 /p<1.2και h 1 /Β 1 <.4 (β).49m <h 1 <.61m (γ) p >.9m (δ) Το πλάτος του αγωγού θα πρέπει να υπερβαίνει τα.6m (ε) Η στάθμη του κατάντη νερού θα πρέπει να είναι κάτω από την κορυφή της σχισμής. Όπου p 1 είναι το βάθος ροής του αγωγού έως την σχισμή σχήματος V του εκχειλιστή, h 1 το επιπλέον βάθος ροής από την σχισμή έως την ελεύθερη επιφάνεια και B το πλάτος του αγωγού. 18

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1 Κατηγορίες και όρια εφαρμογών των τριγωνικών εκχειλιστών (ISO, 1371) Εκχειλιστής με μερική Εκχειλιστής με πλήρη συστολή συστολή h 1 /p 1 1.2 h 1 /p 1.4 h 1 /Β 1.4 h 1 /Β 1.2.5 m < h 1.6m.5 m < h 1.38m p 1.1 m p 1.45 m B 1.6 m B 1.9 m Σχήμα 2.9 Τιμές του K h σαν συνάρτηση της γωνίας θ του εκχειλιστή 19

Σχήμα 2.1 Συντελεστής παροχής C d σαν συνάρτηση της γωνίας θ του εκχειλιστή πλήρους συστολής Σχήμα 2.11 Τιμές του C d σαν συνάρτηση του h 1 /p 1 και p 1 /B 1 για τριγωνικό εκχειλιστή γωνίας θ=9 2

2.5 Πειραματικές μελέτες των Michioku et al Οι Michioku et al.(2) πραγματοποίησαν μονοδιάστατη ανάλυση για την εύρεση μιας εξίσωσης προφίλ επιφάνειας νερού στην οποία ελήφθησαν υπόψη οι συντελεστές αντίστασης ροής στην πορώδη κατασκευή τόσο λόγω στρωτής όσο και τυρβώδους ροής. Η εξίσωση δίνει την παροχή ως συνάρτηση των παραπάνω παραμέτρων. Επίσης παρουσιάστηκε πειραματική μελέτη σε εργαστηριακό κανάλι, στο οποίο τοποθετήθηκε ένας εκχειλιστής ορθογωνικής διατομής. Ο εκχειλιστής ήταν κατασκευασμένος από φυσικό χαλίκι και το μήκος του και η διάμετρος των κόκκων ήταν μεταβλητά. Παρουσιάστηκε σύγκριση αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Σχήμα 2.12 Πειραματική διάταξη των Michioku et al Οι Michioku et al. (2) έκαναν θεωρητική ανάλυση των προφίλ ροής και πειραματική μελέτη με ορθογωνικής διατομής εκχειλιστή, σε δύο ανοικτά κανάλια συναρτήσει του αριθμού 21

Reynolds, με μεταβλητές παραμέτρους τη διάμετρο των κόκκων του χαλικιού d m, το μήκος του εκχειλιστή L και την κλίση του πυθμένα του καναλιού J. Για το σχεδιασμό πορώδους εκχειλιστή από χαλίκι (πλατειάς στέψης) σαν κατασκευή ελέγχου ροής, μελετήθηκε η παροχή μέσα απ' τον εκχειλιστή, εκτελώντας μονοδιάστατη ανάλυση και εργαστηριακή πειραματική μελέτη. Οι βασικές παράμετροι είναι τα βάθη ροής ανάντη και κατάντη του εκχειλιστή, το μήκος και το πορώδες του εκχειλιστή, η μέση διάμετρος των κόκκων του χαλικιού και η κλίση του πυθμένα. Η ανάλυση απέδωσε μια εξίσωση της παροχής ως συνάρτηση των βασικών παραμέτρων. 22

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 3.1 Θεωρητική ανάλυση του προφίλ ροής Στην συγκεκριμένη μελέτη θεωρήθηκε ένας πορώδης εκχειλιστής ορθογωνικής διατομής για λόγους απλότητας, αν και στην πράξη απαιτείται εκχειλιστής τραπεζοειδούς διατομής για να υπάρχει δυναμική σταθερότητα. Το μοντέλο είναι μονοδιάστατο και χωρίζεται σε τρεις περιοχές, σύμφωνα με το σχήμα 2. Στη θέση (1) όπου x-, η ροή περνάει απότομα από τον ανοικτό αγωγό στην πορώδη κατασκευή, στη θέση (2), στην περιοχή x=~l, στην οποία η υποεπιφανειακή ροή μεταβάλλεται σταδιακά μέσα στην πορώδη κατασκευή και στη θέση (3) στην κατάντη πλευρά στη θέση x=l όπου η ροή περνάει γρήγορα από το πορώδες μέσο στον ανοικτό αγωγό. (L=το μήκος του εκχειλιστή). Οι αρχές διατήρησης ορμής και ενέργειας εφαρμόζονται στις τρεις περιοχές έτσι ώστε να αναλυθεί το προφίλ ροής ως έχει στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.1 Το σύστημα - μοντέλο και ο καθορισμός των μεταβλητών. 23

3.2 Πειραματική διαδικασία Το πείραμα εκτελέστηκε σε κανάλι του Εργαστηρίου Υδραυλικής και Τεχνικής Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ. (φωτογραφία 1), ορθογωνικής διατομής, λείου πυθμένα και τοιχωμάτων κατασκευασμένα από Plexiglas (φωτογραφία 2), ρυθμιζόμενης κλίσης μήκους 12m, πλάτους.4m, και ύψους.8m. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις εκχειλιστές διαφορετικού πορώδους, ένας διαπερατός εκχειλιστής από χαλίκι πορώδους n=.42, (γαρμπιλι) ένας επίσης διαπερατός εκχειλιστής από χαλίκι πορώδους n=.55 (σκύρα) και ένας αδιαπέρατος εκχειλιστής (n=) από ξύλο θαλάσσης, για τρία διαφορετικά μήκη στέψης ο καθένας (84cm, 6cm,3cm) και ίδιων γεωμετρικών διαστάσεων. Το πορώδες του υλικού μετρήθηκε με ογκομετρικά δοχεία με τη μέτρηση του όγκου του νερού των πόρων. Χρησιμοποιήθηκαν δύο ογκομετρικά δοχεία χωρητικότητας.166m 3 και.714m 3 αντίστοιχα. Βρέθηκε ότι ο όγκος του νερού των πόρων των σκύρων ήταν.91m 3 και επομένως το ζητούμενο πορώδες για τα σκύρα είναι n =.91m 3 /.166m 3 ή n =.55. Αντίστοιχα για το γαρμπιλι βρέθηκε ότι ο όγκος του νερού των πόρων του γαρμπιλιού ήταν.2998m 3 και επομένως το ζητούμενο πορώδες για το γαρμπιλι είναι n =.2998m 3 /.714m 3 ή n =.42. Αυτές οι κατασκευές τοποθετήθηκαν στο μέσο του καναλιού. Οι χάλικες που χρησιμοποιήθηκαν είχαν αντίστοιχα μέση διάμετρο κόκκου d 5.45cm (γαρμπιλι) και.51cm (σκύρα). Οι διαστάσεις του εκχειλιστή ήταν αναλόγως: μήκος Β = 13cm, 16cm, 76cm, ύψος h =1 cm, πλάτος b = 4 cm για το ανάλογο μήκος στέψης 24

L = 84cm, 6cm, 3cm, κλίση κεκλιμένων πλευρών = 43,48%. (φ=23,5 ο ) όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 3.2. 84,6,3cm 4cm 13,16,76cm Σχήμα 3.2 Σχηματική όψη του εκχειλιστή. Ο εκχειλιστής από χαλίκι με d 5 =.5cm προστατεύθηκε με δίχτυ για να αποφευχθεί η άμεση καταστροφή του από το νερό. Οι μετρήσεις των βαθών ροής ανάντη και κατάντη έγιναν με τη βοήθεια τριών σταθμήμετρων (φωτογραφία 3,4), και πλαστικών καννάβεων ακρίβειας χιλιοστού που τοποθετήθηκαν στα πλευρικά τοιχώματα του καναλιού. Το νερό από το κανάλι διοχετευόταν στη συνέχεια σε μεταλλική δεξαμενή (φωτογραφία 5), και στη συνέχεια σε φρεάτιο που επικοινωνούσε με δεξαμενή από σκυρόδεμα (φωτογραφία 6), και απ' την οποία με τη βοήθεια ενός τριγωνικού εκχειλιστή λεπτής στέψης και κατάλληλου μηχανισμού (φωτογραφία 7), μετρήθηκε το ύψος του νερού (h cm) της δεξαμενής για τον υπολογισμό της παροχής. Για κάθε μέτρηση ανάντη και κατάντη βαθών ροής γινόταν η αντίστοιχη μέτρηση της παροχής στον υπερχειλιστή. Η διαδικασία αυτή έγινε όμοια και για 25

τα τρία είδη εκχειλιστών και για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης αυτών. Σε κάθε περίπτωση από τις πειραματικές μετρήσεις με τη βοήθεια της σχέσης: (Q=13.7*H 2.5 cm 3 /s όπου (Η=h-17.4)cm) υπολογίστηκε η παροχή για κάθε διαφορετικό βάθος ροής. Από τα αποτελέσματα αυτά προκύπτουν τα ακόλουθα διαγράμματα της παροχής Q σε σχέση με το λόγο h/α όπου Α το αρχικό βάθος ροής και της παροχής Q σε σχέση με το ανάντη βάθος ροής h 1, τα οποία και παρουσιάζονται στη ανάλυση των αποτελεσμάτων στο επόμενο κεφάλαιο. 26

3.3 Επίδραση της διαπερατότητας του εκχειλιστή στο προφίλ ροής - Εργαστηριακές μετρήσεις Πρώτα τοποθετήθηκε στο κανάλι ο αδιαπέρατος εκχειλιστής (ξύλο) (φωτογραφία 8), για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης του (84cm, 6cm, 3cm) και ακολούθησαν οι εκχειλιστές από σκύρα (φωτογραφία 9) και γαρμπίλι. Για κάθε εκχειλιστή και μήκος στέψης είχαμε πέντε διαφορετικά βάθη ροής. Οι μετρήσεις των βαθών ροής ανάντη και κατάντη έγιναν με τη βοήθεια δύο σταθερών σταθμημέτρων και ένα κινητό σταθμήμετρο κατά μήκος της στέψης του εκχειλιστή (φωτογραφία 1). Παρακάτω φαίνονται οι πίνακες (3.1-3.9) των βαθών ροής με τις ανάλογες μετρήσεις παροχών h(cm) μέσο του τριγωνικού εκχειλιστή και τα διαγράμματα των προφίλ ροής αυτών (σχ.3.3-3.11) σε σχέση με τις χαρακτηριστικές θέσεις των σταθμήμετρων (φωτογραφία 11), όπου: h: μέτρηση παροχής (cm). A: ανάντη βάθος ροής (cm) ή αρχικό βάθος ροής εισόδου. Τ: κατάντη βάθος ροής (cm). h (1,2,3 ): βάθη ροής κατά το μήκος της στέψης του εκχειλιστή (cm). x: χαρακτηριστικές θέσεις των σταθμημέτρων με σημείο αναφοράς το Α (cm). * (Για λόγους επεξεργασίας των διαγραμμάτων προσαυξήσαμε τα παρακάτω βάθη ροής των πινάκων κατά 1 cm όσο δηλαδή και το ύψος του κάθε εκχειλιστή). 27

h/a 3.3.1 Μετρήσεις αδιαπέρατου εκχειλιστή (ξύλο, n=) για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από ξύλο (84cm). ΑΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ( 84 CM ) h=33.3cm h=31.2cm h=28.8cm h=26cm h=23.6cm α/α +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a x (cm) A 18 1 16.7 1 15 1 13.2 1 11.8 1 1 17.944 15.5.928 14.933 12.5.946 11.2.949 58 2 16.1.894 15.898 13.7.913 12.3.931 11.1.94 67.2 3 16.4.911 15.4.922 13.8.92 12.4.939 11.1.94 74.3 4 16.7.927 14.7.88 13.5.9 12.3.931 11.1.94 81.3 5 15.8.877 14.9.892 13.4.893 12.1.916 11.932 89.3 6 16.2.9 14.5.868 13.4.893 12.1.916 1.9.923 19.6 7 15.8.877 14.9.892 13.3.886 12.99 1.9.923 116.4 8 15.2.844 14.838 13.2.88 12.99 1.8.915 126.6 9 14.8.822 13.7.82 13.1.873 11.9.91 1.8.915 134.8 1 13.7.761 13.1.784 12.1.86 11.3.856 1.7.96 142 T 2.35.13 1.7.11 1.2.8.7.53 2.5.211 2 1.2 1.8.6.4.2 h=33.3cm h=31.2cm h=28.8cm h=26cm h=23.6cm Σειρά2 5 1 15 2 25 x (cm) Σχήμα 3.3 Προφίλ ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (84cm). 28

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.2 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από ξύλο (6cm). ΑΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ( 6 CM ) h=31.1cm h=29.5cm h=27.7cm h=25.4cm h=22.2cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1 (cm) h/a x (cm) A 17.4 1 16.2 1 15.1 1 13.7 1 12.1 1 1 16.919 15.925 14.927 12.9.941 11.6.958 58 2 14.6.839 13.8.851 12.8.847 12.3.897 11.3.933 67.2 3 14.2.816 13.6.839 12.9.854 12.4.95 11.4.942 74.3 4 14.3.821 13.6.839 13.86 12.875 11.1.917 81.3 5 14.2.816 13.5.833 12.8.847 11.9.868 1.9.9 89.3 6 13.9.798 13.2.814 12.6.834 11.7.854 1.8.892 19.6 7 13.3.764 12.7.783 12.794 11.4.832 1.7.884 116.4 T 2.114 1.6.98 1.2.79.8.58 2.1.173 176 1.2 1.8.6.4.2 h=31.1cm h=29.5cm h=27.7cm h=25.4cm h=22.2cm Σειρά2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.4 Προφίλ ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (6cm). 29

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από ξύλο (3cm). ΑΔΙΑΠΕΡΑΤΟ ( 3 CM ) h=31.9cm h=29.4cm h=27.7cm h=25.7cm h=22.9cm α/α +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 17.5 1 16 1 14.9 1 13.7 1 12.2 1 1 16.2.925 14.9.931 13.9.932 12.9.941 11.7.959 58 1' 15.4.88 14.1.881 13.3.892 12.1.883 11.5.942 63 2 14.8.845 13.5.843 12.7.852 11.9.868 11.91 67.2 2' 14.5.828 13.4.837 12.6.845 11.8.861 11.1.99 71 3 14.3.817 13.3.831 12.6.845 11.9.868 11.2.918 74.2 4 14.2.811 13.3.831 12.7.852 12.1.883 11.2.918 81 4' 13.9.794 13.1.818 12.5.838 11.9.868 11.1.99 84.5 5 13.3.761 12.5.781 12.85 11.4.832 1.8.885 88 T 2.2.125 1.5.93 1.2.8.8.58 2.9.237 146 1.2 1.8.6.4.2 h=31.9cm h=29.4cm h=27.7cm h=25.7cm h=22.9cm Σειρά2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.5 Προφίλ ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (3cm). 3

h/a 3.3.2 Μετρήσεις διαπερατού εκχειλιστή 1 (σκύρα, n=.55) για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). ΠΙΝΑΚΑΣ 3.4 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από σκύρα (84cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 1 ( 84 CM ) h=26.6cm h=27.2cm h=28.7cm h=3.3cm h=31.3cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 14.5 1 14.9 1 15.6 1 17.2 1 17.8 1 1 13.7.944 14.2.953 15.961 16.3.947 17.3.971 58 2 13.5.931 13.9.932 14.6.935 15.8.918 16.4.921 67.2 3 13.3.917 13.7.919 14.5.929 15.7.912 16.3.915 74.3 4 13.3.917 13.6.912 14.3.916 15.6.96 16.1.94 81.3 5 13.1.93 13.4.899 14.1.93 15.3.889 15.8.887 89.3 6 12.5.862 12.7.852 13.7.878 14.8.86 15.1.848 19.6 7 12.4.855 12.8.853 13.5.865 14.6.848 14.8.831 116.4 8 11.8.813 11.9.798 12.9.826 13.7.796 13.8.775 126.6 9 1.8.744 11.2.751 11.8.756 12.9.75 13.3.747 134.8 1 1.3.71 1.3.691 1.5.673 1.8.627 11.1.623 142 T 4.3.296 4.5.32 4.9.314 6.7.389 8.5.477 2 1.2 1.8.6.4.2 h=26.6cm h=27.2cm h=28.7cm h=3.3cm h=31.3cm Σειρά2 5 1 15 2 25 x (cm) Σχήμα 3.6 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με σκύρα (84cm). 31

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.5 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από σκύρα (6cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 1 ( 6 CM ) h=24.4cm h=25.1cm h=26.4cm h=28.9cm h=29.7cm α/α +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a +1 (cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 12.9 1 13.5 1 14.3 1 15.6 1 16.7 1 1 12.4.961 12.9.955 13.8.965 14.8.948 15.8.946 58 2 12.93 12.5.925 13.2.923 14.2.91 15.2.91 67.2 3 11.9.922 12.4.918 13.99 14.897 14.9.892 74.3 4 11.8.914 12.3.911 12.9.92 13.7.878 14.5.868 81.3 5 11.3.875 12.888 12.5.874 13.1.839 14.1.844 89.3 6 1.2.79 1.7.792 11.4.797 1.5.673 12.718 19.6 7 1.1.782 1.6.785 1.7.748 1.2.653 11.8.76 116.4 T 3.4.263 3.8.281 4.5.314 5.7.365 5.3.317 176 1.2 1.8.6.4.2 h=24.4cm h=25.1cm h=26.4cm h=28.9cm h=29.7cm Σειρά2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.7 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με σκύρα (6cm). 32

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.6 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από σκύρα (3cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 1 ( 3 CM ) h=24cm h=26.1cm h=27.7cm h=29.4cm h=31.2cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 12.4 1 13.7 1 14.6 1 15.8 1 17 1 1 12.967 13.948 13.8.945 14.8.936 15.9.935 58 1' 11.7.943 12.8.934 13.6.931 14.4.911 15.5.911 63 2 11.8.951 12.7.927 13.4.917 14.2.898 15.1.888 67.2 2' 11.7.943 12.6.919 13.3.91 14.1.892 15.882 71 3 11.4.919 12.3.897 13.89 14.886 15.882 74.2 4 11.2.93 12.3.891 13.89 13.5.855 14.3.841 81 4' 1.6.854 11.6.846 12.6.863 13.2.835 14.823 84.5 5 1.5.846 11.5.839 11.9.815 12.5.791 13.3.782 88 T 3.241 4.1.299 4.8.328 6.379 6.8.4 146 1.2 1.8.6.4.2 h=24cm h=26.1cm h=27.7cm h=29.4cm h=31.2cm Σειρά2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.8 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με σκύρα (3cm). 33

h/a 3.3.3 Μετρήσεις διαπερατού εκχειλιστή 2 (γαρμπιλι, n=.42) για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). ΠΙΝΑΚΑΣ 3.7 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από γαρπίλι (84cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 2 ( 84 CM ) h=29.4cm h=28cm h=26.1cm h=24.6cm h=23.8cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 16.8 1 15.9 1 14.6 1 13.7 1 13 1 1 15.8.94 15.943 13.9.952 13.1.956 12.6.969 58 2 15.2.94 14.6.918 13.6.931 13.948 12.4.953 67.2 3 15.1.898 14.4.95 13.5.924 12.9.941 12.3.946 74.3 4 14.8.88 14.3.899 13.4.917 12.7.927 12.2.938 81.3 5 14.8.88 14.2.893 13.3.91 12.6.919 12.1.93 89.3 6 14.2.845 13.4.842 12.6.863 12.875 11.5.884 19.6 7 13.5.83 13.1.823 12.5.856 11.9.868 11.3.869 116.4 8 13.4.797 12.8.85 12.1.828 11.6.846 11.2.861 126.6 9 12.8.761 12.1.761 11.6.794 11.86 1.6.815 134.8 1 12.714 11.4.716 1.9.746 1.5.766 1.3.792 142 T 2.6.157 1.7.16 4.3.294 3.7.27 2.9.223 2 1.2 1.8.6.4.2 h=29.4cm h=28cm h=26.1cm h=24.6cm h=23.8cm Σειρά2 5 1 15 2 25 x (cm) Σχήμα 3.9 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με γαρπίλι (84cm). 34

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.8 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από γαρπίλι (6cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 2 ( 6 CM ) h=29.7cm h=28.7cm h=27.2cm h=25.9cm h=23.9cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 16.8 1 16 1 15.1 1 14.3 1 13.1 1 1 15.8.94 15.1.943 14.3.947 13.7.958 12.5.954 58 2 15.4.916 14.6.915 13.9.92 13.3.93 12.3.938 67.2 3 14.8.88 14.3.893 13.5.894 13.99 12.916 74.3 4 14.6.869 14.1.881 13.4.887 12.9.92 11.9.98 81.3 5 14.4.857 13.9.868 13.1.867 12.7.888 11.8.9 89.3 6 12.4.738 12.75 11.9.788 11.6.811 11.1.847 19.6 7 11.8.72 11.3.76 11.2.741 11.769 1.8.824 116.4 T 2.9.172 2.8.175 2.6.172 2.3.168 3.229 176 1.2 1.8.6.4.2 h=29.7cm h=28.7cm h=27.2cm h=25.9cm h=23.9cm Σειρά2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.1 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με γαρπίλι(6cm) 35

h/a ΠΙΝΑΚΑΣ 3.9 Μετρήσεις βαθών ροής-παροχής για εκχειλιστή από γαρπίλι (3cm). ΔΙΑΠΕΡΑΤΟ 2 ( 3 CM ) h=29.2cm h=27.9cm h=26.5cm h=25.2cm h=23.5cm α/α +1 (cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a +1(cm) h/a x (cm) A 16.3 1 15.2 1 14.5 1 13.7 1 12.7 1 1 15.2.932 14.5.953 13.7.944 13.1.956 12.1.952 58 1' 14.6.895 13.9.914 13.2.91 12.7.927 11.8.929 63 2 14.2.871 13.5.888 13.896 12.5.912 11.6.913 67.2 2' 13.9.852 13.4.881 12.9.889 12.4.95 11.3.889 71 3 13.8.846 13.2.868 12.6.863 12.2.89 11.2.881 74.2 4 13.3.815 12.7.835 12.1.834 11.8.861 11.866 81 4' 12.7.779 12.1.796 11.7.86 11.6.846 1.9.858 84.5 5 12.1.742 11.5.756 11.3.779 11.1.81 1.5.826 88 T 5.4.331 4.9.322 4.3.296 3.6.262 2.8.22 146 1.2 1.8.6.4 h=29.2cm h=27.9cm h=26.5cm h=25.2cm h=23.5cm Σειρά2.2 5 1 15 2 x (cm) Σχήμα 3.11 Προφίλ ροής διαπερατού εκχειλιστή με γαρπίλι(3cm). 36

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 4.1 Επίδραση της διαπερατότητας του εκχειλιστή στη παροχή Υπολογισμοί κρ. βάθους (h κρ ) κ συντ. παροχής (cd). Σε αυτό το κεφάλαιο παραθέτουμε τα αποτελέσματα και τους υπολογισμούς του κρίσιμου βάθους και του συντελεστή παροχής καθώς και την διαγραμματική σχέση μεταξύ της παροχής Q σε σχέση με το ανάντη βάθος ροής h 1 (σχήματα 4.4, 4.8 κ 4.12), όπου και φαίνεται άμεσα το πώς επιδρά ο κάθε εκχειλιστής στη παροχή. Παρακάτω παρουσιάζονται αναλυτικοί πίνακες και τα αντίστοιχα διαγράμματα για τα τρία είδη εκειλιστών (ξύλο, σκύρα και γαρμπίλι) και τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3) του καθενός. Η πρώτη και η δεύτερη στήλη των πινάκων (4.1-4.3) αναφέρεται στις μετρήσεις των βαθών ροής (h 1 ) και τις αντίστοιχες παροχές (h), όπως μετρήθηκαν από το μανόμετρο του εκχειλιστή. Στη τρίτη υπολογίζουμε την παροχή Q σε m 3 /s με την βοήθεια του παρακάτω τύπου: Q=13.7*H 2.5 (cm 3 /s) όπου: Η=h-17.4 cm h: μέτρηση παροχής σε cm (2 η στήλη). 37

Στη τέταρτη στήλη υπολογίζουμε το κρίσιμο βάθος της ροής του κάθε εκχειλιστή (h κρ, m) με την βοήθεια του παρακάτω τύπου: h 2 Q b * g 3 2 (m) όπου: Q η παροχή σε m 3 /s (τρίτη στήλη) b το πλάτος του εκχειλιστή (.4m) και g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ) Στη πέμπτη στήλη υπολογίζουμε τον συντελεστή παροχής (cd) με την βοήθεια του παρακάτω τύπου όπου για τον ορθογωνικό εκχειλιστή η εξίσωση για τον προσδιορισμό της παροχής είναι: Q= C d *(2/3)*(2g/3) ½ *b*h 1.5 1 (m 3 /s) Όπου: Q η παροχή σε m 3 /s (τρίτη στήλη) h 1 βάθος ροής σε (m) (πρώτη στήλη) b το πλάτος του εκχειλιστή (.4m) g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ) Στη συνέχεια κατασκευάζουμε τα λογαριθμικά διαγράμματα παροχών βαθών ροής για κάθε είδος εκχειλιστή (ξύλο, σκύρα και γαρμπίλι) και για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) του καθενός και αφού λογαριθμίσουμε την παραπάνω σχέση και τη φέρουμε σε μορφή εξίσωσης ευθείας y=a*x+b τότε γνωρίζοντας το απόστημα (b) της εξίσωσης ευθείας του κάθε λογαριθμικού διαγράμματος για κάθε εκχειλιστή και μήκος στέψης μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή παροχής (cd). 38

αδ. (3cm) αδ. (6cm) αδ. (84cm) 4.1.1. Υπολογισμοί παροχής (Q), κρ. βάθους (h κρ ), συντ. παροχής (cd) καθώς και διαγραμματική σχέση παροχής βάθους ροής για τον αδιαπέρατο εκχειλιστή (ξύλο). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 Αποτελέσματα για εκχειλιστή από ξύλο για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). βαθ. ροής (h1) (m) παροχή παροχή (h) (cm) Q (m 3 /s) κρ. βάθος h κρ (m) συντ. παροχής (cd).8 33.3.13816.495312.896.67 31.2.96921.391155.821.5 28.8.6115.284485.79.32 26.29714.177848.763.18 23.6.13113.1387.798.813.74 32.1.11355.43459.827.62 3.5.8594.358649.88.51 28.7.5885.28338.749.37 26.4.33291.191847.686.21 24.15331.11448.739.762.75 32.9.129584.474719.933.6 3.4.83479.35498.84.49 28.7.5885.28338.83.37 26.7.36135.22623.752.22 23.9.14757.111534.671.8 Στα επόμενα σχήματα (4.1-4.3) παρουσιάζονται τα τρία λογαριθμικά διαγράμματα παροχών βαθών ροής για τον εκχειλιστή από ξύλο για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) 39

log Q log Q log Q -3.5-3 -2.5 y = 1.57x -.259 R 2 =.9958-2 -1.5-1 -.5 αδιαπ. (84 cm) Γραμμική (αδιαπ. (84 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.1 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (84cm). -3-2.5 y = 1.52x -.288 R 2 =.9911-2 -1.5-1 -.5 αδιαπ. (6 cm) Γραμμική (αδιαπ. (6 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.2 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (6cm). -3-2.5 y = 1.534x -.272 R 2 =.978-2 -1.5-1 -.5 αδιαπ. (3 cm) Γραμμική (αδιαπ. (3 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.3 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή (3cm). 4

Q (m3/s) Τέλος στο επόμενο σχήμα 4.4 παρουσιάζεται το διάγραμμα παροχής βάθους ροής για τον αδιαπέρατο εκχειλιστή από ξύλο για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) του οποίου τα ζεύγη τιμών αντιστοιχούν στην πρώτη στήλη (βάθος ροής h 1 σε m) και τρίτη στήλη (παροχή Q σε m 3 /s) του παραπάνω πίνακα 4.1..16.14.12.1.8.6.4.2 αδ (84cm) αδ (6cm) αδ (3cm).2.4.6.8.1 h1 (m) Σχήμα 4.4 Διάγραμμα παροχής βάθους ροής αδιαπέρατου εκχειλιστή από ξύλο για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm). 41

διαπ.1(3cm) διαπ.1 (6cm) διαπ.1 (84cm) 4.1.2. Υπολογισμοί παροχής (Q), κρ. βάθους (h κρ ), συντ. παροχής (cd) καθώς και διαγραμματική σχέση παροχής βάθους ροής για τον διαπερατό εκχειλιστή 1 (σκύρα). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 Αποτελέσματα για εκχειλιστή από σκύρα για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). βαθ. ροής (h1) (m) παροχή (h) (cm) παροχή Q (m 3 /s) κρ. βάθος h κρ (m) συντ. παροχής (cd).45 27.6.4552.23635.72.49 28.2.5251.25997.712.56 29.7.7269.32289.87.72 31.3.9869.39589.751.78 32.3.1174.44449.793.753.29 25.4.248.15765.737.35 26.1.359.18131.685.43 27.4.4332.22867.713.56 29.9.7568.33169.838.67 3.7.8838.36782.747.744.24 25.2181.14473.862.37 27.1.415.21736.828.46 28.7.5881.2834.875.58 3.4.8348.3541.877.7 32.2.11544.43953.915.872 Στα επόμενα σχήματα (4.5-4.7) παρουσιάζονται τα τρία λογαριθμικά διαγράμματα παροχών βαθών ροής για τον διαπερατό εκχειλιστή από σκύρα για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm). 42

log Q log Q log Q -2.5-2 -1.5 y = 1.514x -.291 R 2 =.9761 διαπ.1 (84 cm) -1 Γραμμική (διαπ.1 (84 cm)) -.5 -.5-1 -1.5 log h1 Σχήμα 4.5 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από σκύρα (84cm). -3-2.5-2 -1.5-1 y = 1.53x -.297 R 2 =.9814 διαπ.1 (6 cm) Γραμμική (διαπ.1 (6 cm)) -.5 -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.6 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από σκύρα (6cm). -3-2.5 y = 1.56x -.227 R 2 =.9969-2 -1.5-1 -.5 διαπ.1 (3 cm) Γραμμική (διαπ.1 (3 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.7 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από σκύρα (3cm). 43

Q (m3/s) Τέλος στο επόμενο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται το διάγραμμα παροχής βάθους ροής για τον διαπερατό εκχειλιστή από σκύρα για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) του οποίου τα ζεύγη τιμών αντιστοιχούν στην πρώτη στήλη (βάθος ροής h 1 σε m) και τρίτη στήλη (παροχή Q σε m 3 /s) του παραπάνω πίνακα 4.2..14.12.1.8.6.4 διαπ.1 (84cm) διαπ.1 (6cm) διαπ.1 (3cm).2.2.4.6.8.1 h1 (m) Σχήμα 4.8 Διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από σκύρα για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm). 44

διαπ.2(3cm διαπ.2 (6cm) διαπ.2 (84cm) 4.1.3. Υπολογισμοί παροχής (Q), κρ. βάθους (h κρ ), συντ. παροχής (cd) καθώς και διαγραμματική σχέση παροχής βάθους ροής για τον διαπερατό εκχειλιστή 2 (γαρπίλι). ΠΙΝΑΚΑΣ 4.3 Αποτελέσματα για εκχειλιστή από γαρπίλι για μήκη στέψης (84cm, 6cm κ 3cm). βαθ. ροής (h1) (m) παροχή (h) (cm) παροχή Q (m 3 /s) κρ. βάθος h κρ (m) συντ. παροχής (cd).68 3.4.8348.3541.692.59 29.6279.29285.644.46 27.1.415.21736.594.37 25.6.2638.16428.545.3 24.8.241.13844.578.612.68 3.7.8838.36782.736.6 29.7.7269.32289.731.51 28.2.5251.25997.674.43 26.9.3811.2994.632.31 24.9.211.14157.572.669.63 3.2.831.3456.746.52 28.9.6144.28866.761.45 27.5.4441.2325.683.37 26.2.3147.18479.649.27 24.5.184.12922.69.69 Στα επόμενα σχήματα (4.9-4.11) παρουσιάζονται τα τρία λογαριθμικά διαγράμματα παροχών βαθών ροής για τον διαπερατό εκχειλιστή από γαρπίλι για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) 45

log Q log Q log Q -3-2.5-2 -1.5-1 -.5 y = 1.513x -.384 R 2 =.9744 διαπ.2 (84 cm) Γραμμική (διαπ.2 (84 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.9 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από γαρπίλι (84cm). -3-2.5-2 -1.5-1 -.5 y = 1.53x -.346 R 2 =.965 διαπ.2 (6 cm) Γραμμική (διαπ.2 (6 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.1 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από γαρπίλι (6cm). -3-2.5-2 -1.5-1 -.5 y = 1.57x -.332 R 2 =.9737 διαπ.2 (3 cm) Γραμμική (διαπ.2 (3 cm)) -.5-1 -1.5-2 log h1 Σχήμα 4.11 Λογαριθμικό διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από γαρπίλι (3cm). 46

Q (m3/s) Τέλος στο επόμενο σχήμα 4.12 παρουσιάζεται το διάγραμμα παροχής βάθους ροής για τον αδιαπέρατο εκχειλιστή από γαρπίλι για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm) του οποίου τα ζεύγη τιμών αντιστοιχούν στην πρώτη στήλη (βάθος ροής h 1 σε m) και τρίτη στήλη (παροχή Q σε m 3 /s) του παραπάνω πίνακα 4.3..1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 διαπ.2 (84cm) διαπ.2 (6cm) διαπ.2 (3cm).2.4.6.8 h1 (m) Σχήμα 4.12 Διάγραμμα παροχής βάθους ροής διαπερατού εκχειλιστή από γαρπίλι για τα τρία διαφορετικά μήκη στέψης (84, 6 και 3 cm). 47

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην πτυχιακή εργασία αυτή μελετήθηκαν πειραματικά τρεις διαφορετικοί τύποι εκχειλιστών παχιάς στέψης (αδιαπέρατος, με σκύρα, με γαρμπίλι). Τα πορώδη τους ήταν αντίστοιχα n=., n=.55, n=.42. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε από την πειραματική αυτή εργασία είναι τα εξής: 1. Ο αδιαπέρατος εκχειλιστής (ξύλο θαλάσσης n=.) έχει τη μεγαλύτερη παροχετευτική ικανότητα λόγω της λείας επιφάνειας του, που έχει σαν αποτέλεσμα μικρότερες απώλειες ενέργειας λόγω τριβών. 2. Η παροχετευτική ικανότητα του εκχειλιστή μειώνεται με την αύξηση του μήκους L λόγω της αύξησης που είχαμε στις απώλειες ενέργειας με το μήκος. 3. Στον αδιαπέρατο εκχειλιστή ο συντελεστής παροχής παρουσιάζει μικρές μεταβολές, ουσιαστικά παραμένει σταθερός. Αυτό συμφωνεί απόλυτα με τα συμπεράσματα από ξένη βιβλιογραφία (Bos et al. 1991). Στις περιπτώσεις διαπερατού εκχειλιστή έχουμε αύξηση του συντελεστή παροχής (Cd) με h 1 /L ενώ οι τιμές του συντελεστή (Cd) είναι μεγαλύτερες για τον εκχειλιστή με το μεγαλύτερο πορώδες. 48

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Arbhabhirama, A. And Dinoy, Antonio A. 1973. Friction factor and Reynolds number in porous media flow. Jour. Hydr. Eng. ASCE. Vol.99. HY6. pp91-911. 2. K. Michiokou, S. Maneo, T. Furusawa and M. Haneda 22. Discharge through a permeable rubble mound weir. This study was financially supported by the Grant in Aid for Scientific Research, from Japan Ministry of Education in 2-23.(Project number: 1265513 and 14359268, project leader: Kohji MICHIOKU). 3. Michioku K., Fukuoda T. And Furusawa T. 21. Permeability of a rubble mound weir, Annual Journal of Hydraulic Engineering. JSCE. Vol.45. 391-396. 4. Shimizu, Y. 1992. Study on an open channel flow structure on various types of bed roughness, Ph-D thesis of Kyoto University, 165pp. 5. Ward, J.C 1964. Turbulent flows in porous media. J. Hydr. Eng. ASCE. Vol.9. HY5. pp. 1-12. 49

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (A) ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ Φωτογραφία 1. Εργαστήριο Υδραυλικής κ Τεχνικής Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ. Φωτογραφία 2. Κανάλια ορθογωνικής διατομής του εργαστηρίου. 5

Φωτογραφία 3. ροής. Σταθερό σταθμήμετρο για την μέτρηση των βαθών Φωτογραφία 4. Χαρακτηριστικές θέσεις των τριών σταθμήμετρων. 51

Φωτογραφία 5. Μεταλλική δεξαμενή στην οποία διοχετεύεται το νερό του καναλιού. Φωτογραφία 6. Δεξαμενή από σκυρόδεμα παρουσία τριγωνικού εκχειλιστή λεπτής στέψης. 52

Φωτογραφία 7. Μηχανισμός μέτρησης παροχής με την βοήθεια του τριγωνικού εκχειλιστή λεπτής στέψης. Φωτογραφία 8. Αδιαπέρατος εκχειλιστής από ξύλο 53

Φωτογραφία 9. Διαπερατός εκχειλιστής από σκύρα. Φωτογραφία 1. Μέτρηση του κατάντη βάθους ροής με την βοήθεια του σταθερού σταθμήμετρου. 54

Φωτογραφία 11. Μέτρηση του ανάντη βάθους ροής με την βοήθεια του σταθερού σταθμήμετρου και των βαθών ροής κατά το μήκος της στέψης του εκχειλιστή με το κινητό σταθμήμετρο. 55