Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2002. / ENGLISH ABSTRACT: Local scour is the erosion of a riverbed resulting from the flow of the river around an obstacle. It is a principal cause of failure of bridges and other hydraulic structures. Current design practice relies on the use of empirical formulae that are often extremely inaccurate, or on the use of physical models that are very expensive. Recent advances in the power of microcomputers have however made numerical simulation increasingly attractive. One obstacle to numerical simulation though is that there is no general agreement on the concept of incipient motion, that critical point at which motion - and hence scour - begins. In this dissertation, the unit stream power model developed by Rooseboom (1992) is extended to handle the complex three-dimensional flow conditions that pertain close to the riverbed in the vicinity of an obstacle. The relationship between unit stream power (the dissipation function) and the Movability Number (the ratio of the shear velocity to the terminal settling velocity of the critical sediment particles) is clearly indicated. Since incipient motion is probabilistic in nature, a relationship was established between the Movability Number and the intensity of motion with allowance for bed-slope and relative depth. An extension of this work resulted in a new bed-load transportation equation that could be used to determine the rate of scour development. Physical modelling in a laboratory flume aided the selection of suitable critical conditions for the onset of scour. The usefulness of the above-mentioned relationships was then demonstrated through the construction of a simple mathematical model of scour and deposition around a structure. This model was used in conjunction with commercially available computational fluid dynamics (CFD) software to predict the scour potential around typical engineering structures. Physical model data was obtained for four situations, and the measured scour was compared with that predicted by the numerical model. There was reasonable agreement between the different models and such differences as there were could be readily attributed to constraints on the numerical model, in particular the lack of a free-surface routine and the coarseness of the grid. This dissertation has opened up a new method for the prediction of local scour that could be readily extended to include all types of scour. With the advent of increasingly fast computers, it could become a useful engineering tool that would assist engineers in the design of safe and cost-effective foundations for hydraulic structures. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Plaaslike uitskuring is die erosie van 'n rivierbed as gevolg van vloei verby 'n obstruksie. Dit is 'n belangrike oorsaak van die swigting van brfïe en ander hidrouliese strukture. Bestaande ontwerppraktyk berus op empiriese vergelykings wat dikwels hoogs onakkuraat is, of op fisiese modelle, wat baie duur is. Numeriese simulasie het die afgelope tyd 'n al hoe meer aantreklike opsie geword danksy die snelle toename in die kapasiteit van mikro-rekenaars. 'n Struikelblok met numeriese simulasies is die gebrek aan konsensus oor die konsep van begin-van-beweging, daardie kritieke toestand waarby beweging en derhalwe uitskuring begin. In hierdie proefskrif is die eenheidstroomdrywing model, ontwikkel deur Rooseboom (1992), uitgebrei om die komplekse drie-dimensionele vloeitoestande, wat teenaan die rivierbodem verby 'n obstruksie heers,te hanteer. Die verwantskap tussen Eenheid Stroomdrywing (Dissipasiefunksie) en die Beweeglikheidsgetal (verhouding tussen sleursnelheid en die ewewigvalsnelheid van die kritieke sedimentpartikels ) is duidelik uitgewys. Aangesien begin van beweging probabilisties van aard is, is die verwantskap bepaal tussen die Beweeglikheidsgetal en die Intensiteit van Beweging, met voorsiening vir bodernhelling en relatiewe diepte. Verdere uitbreiding het gelei tot 'n nuwe bedvrag vervoervergelyking wat gebruik kan word om die tempo van uitskuring te bepaal. Kritieke toestande, waarby uitskuring begin, is met fisiese modelle in die laboratorium gekwantifiseer. Die bruikbaarheid van bogenoemde verbande is gedemonstreer deur die ontwikkeling van 'n eenvoudige wiskundige model van uitskuring en afsetting rondom 'n struktuur. Hierdie model is saam met bestaande kommersiële sagteware vir vloeidinamika berekenings (CFD) ingespan om uitskuringspotensiaal rondom tipiese ingenieurstrukture te voorspel. Fisiese modelmetings van uitskuring vanaf vier uitlegte is vergelyk met die numeries voorspelde waardes. Bevredigende ooreenkoms is gevind en verskille kon geredelik gewyt word aan beperkings van die numeriese model, veral die gebrek aan' n vryvlakroetine en die growwe maas. Die proefskrif stel 'n nuwe metode vir die voorspelling van uitskuring daar wat geredelik uitgebrei kan word na ander vorms van uitskuring. Met die ontwikkeling van al vinniger rekenaars kan dit 'n nuttige hulpmiddel vir ingenieurs word om veilige en koste-doeltreffende fondamente in waterlope te ontwerp.

Thesis (MEng)--University of Stellenbosch, 2002. / ENGLISH ABSTRACT: Segmentally lined tunnels are increasingly being built to transfer water from one water scheme to another. The segments that line such tunnels are often in the form of pre-cast concrete sections, which are placed around the perimeter of the tunnel. As these tunnels are very expensive to construct, it is imperative that their hydraulic capacities can be calculated accurately. Even a slight variation in the design diameter has a significant effect on the cost of the tunnel. Due to the construction method involved, alternative segments are not always properly aligned. This creates roughness elements in the tunnel commonly known as steps. These steps occur randomly and vary in size. Since the steps lead to increased roughness and thus decrease the hydraulic capacity of the tunnel, it is essential that this effect be allowed for in the design of the tunnel. A hydraulic model was used to determine the contribution of steps to the hydraulic roughness, according to step size and frequency of steps. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tonnels word al hoe meer gebou om water tussen waterskemas te vervoer. Die voering van sulke tunnels word dikwels saamgestel uit voorafvervaardigde beton panele wat geplaas word om 'n huls langs die omtrek van die tonnel te vorm. Aangesien hierdie tonnels geweldig duur is om te bou, is dit uiters noodsaaklik dat die hidrouliese kapasiteit van 'n tonnel akkuraat bereken kan word. 'n Klein variasie in die diameter van die tonnel het 'n betekenisvolle effek op die koste daarvan. Die konstruksiemetode van sulke tonnels veroorsaak dat opeenvolgende panele nie altyd presies oplyn nie. Sulke afwykings in die belyning van die tonnelpanele veroorsaak klein trappies, wat bydra tot die ruheid in die tonne I en sodoende die kapasiteit daarvan laat afneem. Die afwykings varieer in grootte en kom in geen spesifieke patroon voor nie. 'n Modelstudie is uitgevoer om die bydrae wat die afwykings in the belyning van die opeenvolgende ringe tot die hidrouliese weerstand maak, te bepaal.

Thesis (Ph.D.(Civil Engineering))--University of the Witwatersrand, Faculty of Engineering, 1966.

O presente trabalho propõe a utilização da \"superfórmula\" como solução de dimensionamento de estruturas hidrodinâmicas na engenharia hidráulica. Para tanto, apresentam-se neste trabalho os métodos atualmente empregados para o dimensionamento de uma tomada d\'água, apresenta-se também o que é a \"superfórmula\", como se chegou a ela e a possibilidade de sua aplicação na engenharia, necessitando para isso algumas parametrizações. A introdução da \"superfórmula\" na engenharia hidráulica tem o objetivo de facilitar o dimensionamento de estruturas e reduzir as complexidades, com foco no desenvolvimento de formas geométricas ideais com vistas à hidrodinâmica e especificamente para a tomada d\'água, tem o objetivo de encontrar uma transição entre seções onde a perda de carga seja mínima, para isso, propõe-se uma modelação matemática para otimização da estrutura da tomada d\'água, baseada no conceito de aceleração convectiva máxima. / This dissertation proposes that \"superfórmula\" have high potential use in solutions for hydrodynamic design of hydraulic structures. Thus, it presents, the methods currently employed for the design of a water intake, also presents what is \"superfórmula\", how it discovered and application possibility in engineering, requiring for it some parameterizations. The introduction of \"superfórmula\" in hydraulic engineering aims to facilitate the design of structures and reduce the complexities, focusing on the development of ideal geometric shapes with a view to hydrodynamic and specifically for water intake, aims to find a transition between sections where the head loss. For this, it proposes a mathematical model to optimize the water intake structure based on the concept of maximum convective acceleration.

Esta dissertação trata da hidráulica da queda livre em canal de seção retangular. A análise bibliográfica do tema está calcada nos trabalhos pioneiros, nos clássicos e nos recentes. Com base nos princípios da Física: Conservação de Massa, Quantidade de Movimento, e Primeira Lei da Termodinâmica, foi desenvolvido um modelo matemático para a queda livre. O modelo proposto, após ser analisado do ponto de vista de sua consistência, foi validado em comparações com resultados fornecidos por outros pesquisadores, geralmente com modelos empíricos (ou semi-empíricos), ajustados a dados experimentais. Os resultados obtidos pelo modelo matemático proposto nesta dissertação, correspondem a boas estimativas das grandezas envolvidas nos escoamentos em queda livre, o que credencia o modelo proposto como uma ferramenta apropriada para projetos em engenharia hidráulica, principalmente quando se tem em conta que a queda livre é o mecanismo de dissipação mais presente na natureza. / This study addresses free fall hydraulics in rectangular channel section. References were based on not only earlier studies, but also on classical and most recent ones. Based on principles of Physics, such as mass conservation, momentum and the First Law of Thermodynamics, a mathematical model has been developed as an example of free fall hydraulic. After extensive consistency analyses the proposed model has been validated by comparing different results furnished by other researchers, generally based on empirical or semiempirical treatment adjusted to experimental data. Results obtained from the mathematical model proposed here correspond to good estimates of greatnesses involved in the free overfall and that turns the proposed model into an adequate tool for Hydraulic Engineering projects, especially when we all know free overfall is the most common dissipation mechanism in Nature.

Esta dissertação trata da hidráulica da queda livre em canal de seção retangular. A análise bibliográfica do tema está calcada nos trabalhos pioneiros, nos clássicos e nos recentes. Com base nos princípios da Física: Conservação de Massa, Quantidade de Movimento, e Primeira Lei da Termodinâmica, foi desenvolvido um modelo matemático para a queda livre. O modelo proposto, após ser analisado do ponto de vista de sua consistência, foi validado em comparações com resultados fornecidos por outros pesquisadores, geralmente com modelos empíricos (ou semi-empíricos), ajustados a dados experimentais. Os resultados obtidos pelo modelo matemático proposto nesta dissertação, correspondem a boas estimativas das grandezas envolvidas nos escoamentos em queda livre, o que credencia o modelo proposto como uma ferramenta apropriada para projetos em engenharia hidráulica, principalmente quando se tem em conta que a queda livre é o mecanismo de dissipação mais presente na natureza. / This study addresses free fall hydraulics in rectangular channel section. References were based on not only earlier studies, but also on classical and most recent ones. Based on principles of Physics, such as mass conservation, momentum and the First Law of Thermodynamics, a mathematical model has been developed as an example of free fall hydraulic. After extensive consistency analyses the proposed model has been validated by comparing different results furnished by other researchers, generally based on empirical or semiempirical treatment adjusted to experimental data. Results obtained from the mathematical model proposed here correspond to good estimates of greatnesses involved in the free overfall and that turns the proposed model into an adequate tool for Hydraulic Engineering projects, especially when we all know free overfall is the most common dissipation mechanism in Nature.

O presente trabalho propõe a utilização da \"superfórmula\" como solução de dimensionamento de estruturas hidrodinâmicas na engenharia hidráulica. Para tanto, apresentam-se neste trabalho os métodos atualmente empregados para o dimensionamento de uma tomada d\'água, apresenta-se também o que é a \"superfórmula\", como se chegou a ela e a possibilidade de sua aplicação na engenharia, necessitando para isso algumas parametrizações. A introdução da \"superfórmula\" na engenharia hidráulica tem o objetivo de facilitar o dimensionamento de estruturas e reduzir as complexidades, com foco no desenvolvimento de formas geométricas ideais com vistas à hidrodinâmica e especificamente para a tomada d\'água, tem o objetivo de encontrar uma transição entre seções onde a perda de carga seja mínima, para isso, propõe-se uma modelação matemática para otimização da estrutura da tomada d\'água, baseada no conceito de aceleração convectiva máxima. / This dissertation proposes that \"superfórmula\" have high potential use in solutions for hydrodynamic design of hydraulic structures. Thus, it presents, the methods currently employed for the design of a water intake, also presents what is \"superfórmula\", how it discovered and application possibility in engineering, requiring for it some parameterizations. The introduction of \"superfórmula\" in hydraulic engineering aims to facilitate the design of structures and reduce the complexities, focusing on the development of ideal geometric shapes with a view to hydrodynamic and specifically for water intake, aims to find a transition between sections where the head loss. For this, it proposes a mathematical model to optimize the water intake structure based on the concept of maximum convective acceleration.

UAB ,,Raseinių žuvininkystės“ tvenkiniai suformuoti 1967-1979 m. Jie išsidėstę trijose vietose: šalia Gabšių gyvenvietės – Raseinių tvenkinių kompleksas, maitinamas Prabaudos upės vandeniu; Upės upelio slėnyje įrengtas Paupio tvenkinių kompleksas aukščiau apie 1 km nuo Paupio gyvenvietės ir tarp Šešuvio ir jo intako Alsos esančioje teritorijoje. Bendras tvenkinių plotas 1042 ha. Tvenkininė žuvininkystė vis labiau pradeda įsitvirtinti tarp kaimo verslų, nors sovietmečiu pastatytuose žuvininkystės tvenkiniuose su mechaniniu vandens kėlimu vandens apykaitai tvenkiniuose palaikyti reikalingos didelės lėšos energetinėms išlaidoms apmokėti, tačiau šis kaimo verslas sukuria nemažai darbo vietų kaime, o žuvininkystės produkcija turi paklausą ne tik Lietuvoje, bet ir užsienyje. Žuvininkystės sukuriama produkcija gerokai sumažėjo lyginant ją su 1990 m., tada buvo išauginta ir sugauta 5800 tonų žuvies, 1998 m. žuvų sugavimas sudarė 1511 tonų, 2001 m. – 2001 tonų ir 2006 – 2225 tonų. Norint sėkmingai plėtoti žuvininkystės verslą, reikalinga ieškoti būdų atnaujinti žuvininkystės įmonių tvenkinių siurblinių energetinę įrangą, remontuoti žuvininkystės tvenkinių hidrotechnikos statinius.Šio darbo tikslas - atlikti UAB ,,Raseinių žuvininkystės“ įmonės tvenkinių HTS techninės būklės tyrimą ir įvertinimą, siekiant gauti ir panaudoti Europos Sąjungos struktūrinių fondų lėšas numatomai renovacijai ir modernizavimui. / The fishponds of the closed joint-stock company “Raseiniai žuvininkystė” were arranged during 1967-1979 years. They are located in the three following places: near the settlement of Gabšiai - the complex of Raseiniai ponds is feeded by the waters of the Prabauda river; in the stream Upe valley the Paupys pond complex is arranged about 1 km upstream the settlement of Paupys and in the territory between the Šešuvis river and its tributary Alsa there is Alsa fishponds . The total fishponds area is 1042 ha. In order to successfully plan the activity of fishery enterprises the evaluation and forward planning of the technical condition of the present ponds’ hydraulic structures is necessary for the reconstruction. The aim of this work was to carry out the investigation and evaluation of the technical state of the hydraulic structures built on the ponds of the closed joint-stock company “Raseiniai žuvininkystė” in order to use the means from the European Union structural funds for the planned renovation and modernization. The object of investigation - the closed joint-stock company “Raseiniai žuvininkystė” situated in the territory of Raseiniai district as well as the evaluation of its economical activity and the state of hydraulic structures built on the ponds. Field investigations of the hydraulic structures built in the complex of Alsa and Paupys ponds were evaluated according to the requirements of the modified Building technical regulations STR 1.12.03:2006 considering the... [to full text]

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.

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.