Experimental investigation of turbulent flow upstream of the broad-crested weir

Abstract

Broad crested weirs (BCW) are widely used hydraulic structures in streams and irrigation canals to control the flow and to measure the discharge. In this study, turbulent flow structure at the upstream of the sharp edged broad crested weir is investigated by means of Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) measurements at different stations. Vertical distributions of velocity and turbulence stresses revealed that, while fully developed velocity distributions are observed at stations far from the weir, turbulence effects significantly alter the flow structure as the flow approaches to the weir. High-resolution photographs are digitized to extract water surface profiles of the flow through the weir for different flow rates. Comparison of the experimental results with the theoretical results shows that the accuracy of the theoretical solutions decreases for low flow rates, in which boundary-layer effects are calculated based on the power law.

Keywords

• Open channel,Broad-crested weir,Turbulent flow,Acoustic doppler velocimetry (ADV)

Geniş başlıklı savağın membasındaki türbülanslı akımın deneysel olarak incelenmesi

Öz

Geniş başlıklı savaklar sulama kanallarında ve akarsularda akımı düzenlemek ve debiyi ölçmek amacıyla yaygın olarak kullanılan su yapılarıdır. Bu çalışmada, bir deney kanalına yerleştirilen ön yüzü köşeli geniş başlıklı savağın membasındaki farklı istasyonlarda Akustik Doppler Hızölçer ile ölçümler yapılarak akım yapısı araştırılmıştır. Hız ve türbülans gerilmelerinin derinlikle değişimleri incelendiğinde savaktan uzak istasyonlarda tam gelişmiş akım için logaritmik hız dağılımları görülürken, savağa yakın bölgelerde çevrinti etkilerinin akım yapısını önemli miktarda değiştirdiği gözlenmiştir. Yüksek çözünürlükteki fotoğraflar sayısallaştırılarak farklı debiler için savak üzerinden geçen akıma ait su yüzü profilleri elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen debi-derinlik ilişkileri ile Hall’un teorik sonuçları karşılaştırıldığında, sınır tabaka etkilerinin kuvvet yasasına göre hesaplandığı debi denkleminin hassasiyetinin düşük debide azaldığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Açık kanal,Geniş başlıklı savak,Türbülanslı akış,Akustik Doppler hızölçer (ADH)

References

1. Kızılaslan MA, Demirel, E. “Numerical investigation of the recirculation zone length upstream of the round-nosed broad crested weir”. 6th International Conference on Urban Design, Transportation, Architectural and Environmental Engineering (UTAEE-17), Istanbul, Turkey, 8-10 September 2017.
2. Moss WD. "Flow seperation at upstream edge of a square-edge broad-crested weir". Journal of Fluid Mechanics, 52(2), 307-320, 1972.
3. Ramamurthy AS, Tim US, Rao MVJ. "Characteristics of square-edged and round-nosed broad-crested weirs". Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 114(1), 61-73, 1988.
4. Sarker MA, Rhodes DG. "Calculation of free-surface profile over a rectangular broad-crested weir". Flow Measurement and Instrumentation, 15, 215-219, 2004.
5. Göğüş M, Defne Z, Özkandemir V. "Broad-Crested weirs with rectangular compound cross sections". Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 132(3), 272-280, 2006.
6. Emiroğlu ME, Baylar A. “The Effect of broad-crested weir shape on air entrainment”. Journal of Hydraulic Research, 41(6), 649-655, 2003.
7. Gonzales CA, Chanson H. "Experimental measurements of velocity and pressure distributions on a large broad-crested weir". Flow Measurement and Instrumentation, 18, 107-113, 2007.
8. Bal H. Geniş Başlıklı Savak İçeren Açık Kanal Akımının Sayısal Modellenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 2011.

9. Goodarzi E, Farhoudi J, Shokri N. "Flow characteristic of rectangular broad-crested weirs with sloped upstream face". Journal of Hydrology and Hydromechanics, 60(2), 87-100, 2012.
10. Felder S, Chanson H. "Free-Surface profiles, velocity and pressure distributions on a broad-crested weir: a physical study". Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 138(12), 1068-1074, 2012.
11. Zachoval Z, Mistrová, Roušar L, Šulc J, Zubíc P. “Zone of flow separation at the upstream edge of a rectangular broad-crested weir”. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 4, 288-298, 2012.
12. İlkentapar M. Açık Kanallarda Geniş Başlıklı Savaklar Üzerindeki Akımın Deneysel ve Sayısal Modellenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye, 2015.
13. İlkentapar M, Öner AA. "Geniş Başlıklı Savak Etrafındaki Akımın İncelenmesi". Ömer Halis Demir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6(2), 615-626, 2017.
14. Hager, WH, Schwalt, M. “Broad-crested weir”. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 120(1), 13-26, 1994.
15. Hall GW. “Analytical determination of the discharge boundary layer theory characteristics of broad-crested weirs using”. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 22(2), 172-190, 1962.
16. VECTRINO. “Velocimeter User Guide”. https://www.nortekgroup.com/assets/software/N3015-013-NQG_VECTRINO_1017.pdf (09.10.2018).
17. Nikuradse J. Stromungsgesetze in Rauhen Rohren. 1st ed. Berlin, ALMANYA, Forschungsheft auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, 1933.
18. Kirkgöz, S. “Turbulent velocity profiles for smooth and rough open channel flow”. Journal of Hydrauic. Engineering, 115, 1543-1561, 1989.