Previous studies have shown that screens may be utilized efficiently for dissipating the energy of water. For the present study, a series of experimental works are executed to investigate the tailwater and multiple screen effects on the energy dissipation through screens. Water flowing beneath a sliding gate is used to simulate the flow downstream of a hydraulic structure. In the present study, one double screen and two double screen arrangements with porosity of 40% and inclination angle of 90 degree is used. A tailwater gate structure is used to adjust the tailwater depth. The major parameters for the present study are upstream flow depth, tailwater gate height, location of the screen together with the supercritical upstream flow Froude number for a range covering from 5.0 to 22.5. The gate opening simulating a hydraulic structure is adjusted at heights of 2 cm and 3 cm during the study. The results of the experiments show that the tailwater depth has no significant additional contribution on the energy dissipation, whereas multiple screen arrangement dissipates more energy as compared to one double screen arrangement.

In practice, baffle blocks and sills are commonly being used to stabilize the location of a hydraulic jump and shorten the length of a stilling basin. On the other hand, gravels, corrugations and rectangular prismatic roughnesses which cover the entire length of the basin or placed in a staggered manner may be an alternative. The objective of this study is to determine the effects of these roughness elements on the characteristics of hydraulic jumps such as conjugate depth, jump length and energy dissipation using experimental data collected from the previous studies. The investigations show that the roughness elements have positive effects on the characteristics of hydraulic jumps. The tailwater depth reduction compared to classical jump is 2-10%. The length of the jump is reduced about by 30-50% by prismatic roughness elements, 40% by corrugations, and 30% by gravels. The roughness elements induce 3-15% more energy dissipation than that of classical jump. Therefore, these types of bed roughness elements should be considered as an effective alternative of accessory devices such as baffle blocks and sills.

A study of the hydraulic jump on a trapezoidal prismatic channel and roughened beds is presented. Extensive measurements have been made regarding the characteristics of hydraulic jumps as sequent depths, wing fluctuations, energy dissipation and jump length on artificially roughened beds for Froude numbers between 4.16 and 14.58. Three different types of prismatic roughness elements and nine different roughness patterns were installed separately on channel bottom and side walls throughout the experiments to obtain rough surfaces. Strip roughness elements were built from fiberglass sheets and implemented perpendicular to the flow direction. To avoid cavitation, roughness elements were designed in that way that the crests of the elements are not protruding into the flow. The founded properties were compared with the available data in literature and with the properties of hydraulic jump occurred on smooth bed.

The main goal of the present study is to investigate the energy dissipation through inclined screens. Recent studies have shown that screens arranged vertically may dissipate more energy than a hydraulic jump does below small hydraulic structures. In the present study a series of laboratory experiments were performed in order to determine the effect of inclination of the screen on the energy dissipated by the screen. The porosity of the screen used in the experiments is 40%. Inclination angle, thickness of the screen, location of the screen, upstream flow depth, and the Froude number of the upstream flow are the major parameters for the laboratory experiments. Froude number of the upstream flow covered a range of 5 to 24. A screen was located up to a distance 100 times the undisturbed upstream flow depth from the gate and the thickness of the screen was changed in correlation with the depth of upstream flow. The results of the experiments show that the inclination parameter has an insignificant effect on the energy dissipated by the screen. Namely, inclination of the screen does not contribute much in reducing the energy of the flowing water further, compared to vertically placed screens.

The objective of this study is to determine the effect of different roughness types and arrangements on hydraulic jump characteristics in a rectangular channel. Three different types of roughness were used along experiments. All of them had rectangular prism shapes and that were placed normal to the flow direction. To avoid cavitation, height of roughness elements were arranged according to level of the channel inlet, so that the crests of roughness elements would not be protruding into the flow. The effects of roughness type and arrangement on hydraulic jump properties, i.e. energy dissipation, length of the jump and tail water depth were investigated. These properties were compared with the available data in literature and with the properties of hydraulic jump occurred on smooth bed.

ABSTRACT EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ENERGY DISSIPATION THROUGH TRIANGULAR SCREENS G&uuml / ng&ouml / r, Endam M.Sc., Department of Civil Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Zafer BozkuS Co-Supervisor: Prof. Dr. Metin Ger May 2005, 82 pages For the present study, a series of experimental works are executed to dissipate energy through triangular screens. Recent studies have shown that the implementation of the screen for energy dissipation is an effective way to extract out the excessive energy of water downstream of small hydraulic structures located in rivers of relatively negligible sediment content. In the present study, double screen arrangement with a porosity of 40% is used. The inclination angle of the screens is opted as 60 degree. The major parameters for the present study are upstream flow depth, location of the screen together with the supercritical upstream flow Froude number for a range covering from 7.5 to 25.5. The gate opening simulating a hydraulic structure is adjusted with various heights of 1 cm, 1.25 cm, 1.6 cm, 1.7 cm, 2 cm, 2.5 cm, 2.7 cm, 3.2 cm and 3.3 cm during the study. The results of the experiments show that the triangular screen configuration with the same pore geometry has no significant additional contribution on the energy dissipation as compared to vertically placed screens. Keywords: Screen, energy dissipation, triangular configuration, porosity, hydraulic jump, supercritical flow.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

O dimensionamento seguro e econômico de dissipadores de energia por ressalto hidráulico formado a jusante de vertedouros passa pela compreensão de como se processa a dinâmica do escoamento. Para que isso seja possível é necessário que sejam identificadas as características macroturbulentas do escoamento, tanto no que diz respeito aos valores médios quanto às parcelas flutuantes e extremas dos esforços de pressões atuantes junto ao fundo. Este trabalho, então, propõe a análise dos esforços hidrodinâmicos atuantes na estrutura hidráulica a partir de uma nova abordagem que preconiza que os esforços atuantes junto ao fundo devem ser avaliados como um somatório dos efeitos hidrodinâmicos ocasionados pelas distintas condições do escoamento. Dessa forma, foram avaliados individualmente os efeitos: (i) da curva de concordância vertical entre o perfil vertente e a bacia de dissipação e a sua influência sobre esta, (ii) do escoamento em regime rápido sobre um plano horizontal, (iii) da macroturbulência presente no ressalto hidráulico livre (tipo A) e (iv) do afogamento do ressalto hidráulico. Essa avaliação individualizada proporciona, em última instância, a identificação global dos esforços atuantes junto à estrutura hidráulica, conferindo sensibilidade a esta análise global a partir da identificação da influência de cada um dos efeitos atuantes e das respectivas consequências sobre a bacia de dissipação. O trabalho apresenta, assim, um método analítico de previsão de pressões médias, flutuantes e extremas atuantes ao longo de uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico, quer este seja formado integralmente na bacia de dissipação, quer este seja formado parcialmente sobre o perfil vertente, condição predominante na operação de sistemas estruturais de dissipação de energia hidráulica. / To safely and economically design hydraulic jump energy dissipators downstream spillways the comprehension of the flow dynamics is needed. To achieve this it is needed to identify the macroturbulent characteristics of the flow, both the mean pressure values as well as the fluctuating and extreme pressures acting on the floor of the stilling basin. The present work proposes to analyze the hydrodynamic forces acting on the structures by means of a new approach which states that the pressures acting on the basin floor can be evaluates as the sum of hydrodynamic effects caused by the distinct flow conditions. The following effects were individually evaluated (i) transition from the spillway slope to the flat basin slope. (ii) supercrítical flow over a flat slope, (iii) macroturbulence present in a classic hydraulic jump (type A jump) and (iv) jump submergence. This individualized evaluation aims to identify the global forces acting on the spillway structure conferring sensitivity to the global analysis from the identification of each of the acting effects and its consequences. The present work relates an analytical method for predicting of mean, fluctuating and extreme pressures acting on a hydraulic jump stilling basin, be it formed integrally on the structure or partially over the spillway, usual condition in the basin operation.

Atualmente, está se tornando cada vez mais usual, na engenharia brasileira e internacional, aproveitamentos hidroelétricos com baixa queda e elevada vazão específica, resultando em um escoamento na entrada do dissipador de energia hidráulica com baixos números de Froude (Fr1). Os aproveitamentos da UHE Santo Antonio, da UHE Jirau e da AHE Belo Monte pertencem a essa classe e se encontram atualmente em fase de construção. Tendo em vista que, até recentemente, eram raros os casos de bacias de dissipação por ressalto hidráulico projetadas com baixo número de Froude, menor que 4,5, para esses casos, a literatura especializada não oferece estudos específicos sobre o comportamento da dissipação de energia nem das características da distribuição longitudinal de pressão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar a faixa em que o número de Froude, na entrada da bacia de dissipação, é inferior a 5. Além disso, também pretende complementar os gráficos disponíveis para auxiliar o dimensionamento de vertedouros de baixa queda, bem como verificar se as considerações já existentes para os casos em que o número de Froude é maior que 4,5 podem ou não ser adotadas para prever os valores de pressão junto ao fundo de bacias de dissipação. Como resultados finais desta pesquisa são apresentados os gráficos, nos quais foram inseridos os casos analisados para baixa queda e número de Froude anteriormente especificados. O estudo foi experimental, utilizando-se a técnica da modelação física. Foi utilizado o modelo de detalhe do vertedouro da UHE Santo Antonio na escala 1:50, obedecendo o critério de escala proposto por Froude. Os resultados deste trabalho se mostraram satisfatórios, tendo em vista que acrescentaram mais resultados experimentais a gráficos conhecidos e trouxeram novas tendências que possivelmente estão somente presentes em aproveitamentos de baixa queda e elevada vazão específica. / Currently, is becoming increasingly common in the Brazilian and international engineering hydroelectric developments with low head and high specific flow rate, resulting in a flow with low Froude number at the energy dissipator entrance. The hydroelectric power plants (HPP) of Santo Antonio, Jirau and Belo Monte belongs to this case and are currently under construction. Considering that until recently the cases of stilling basins designed for hydraulic jump with low Froude number (less than 4.5) have been rare, the specialized literature offer no specific studies on the energy dissipation behavior or on the characteristics of the longitudinal distribution pressure. This work aims to specifically explore the range in which the Froude number (Fr1) at the dissipation basin entrance is less than 5. Furthermore, it also intends to supplement the available graphs to assist the design of low-drop spillways and verify that the considerations made for Froude numbers greater than 4.5 can be adopted to predict pressure values on the bottom of the dissipation basin (stilling basin). The final results of this research are presented in graphs, in which were inserted the analyzed cases of low-head and low Froude number as specified above. The experimental study was made using the physical modeling technique. A 1:50 scale model of the spillway of HPP Santo Antonio was used according to the criterion proposed by Froude. The results were satisfactory, considering that they added more experimental results to the known graphs and brought new trends that are likely to be present at low head hydroelectric power plants and high specific flow.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.