Caracterização do escoamento turbulento em canais com vegetação emersa rígida: aplicação ao estudo da resistência hidráulica

Ana Margarida Da Costa Ricardo

Key information

Authors:

Ana Margarida Da Costa Ricardo (Ana Margarida Da Costa Ricardo)

Supervisors:

Mario Jorge Rodrigues Pereira de Franca (Mario Jorge Rodrigues Pereira de Franca); Rui Miguel Lage Ferreira (Rui Miguel Lage Ferreira)

Published in

11/20/2008

Abstract

Emergent vegetation covering floodplains and wetlands has an important role in fluvial ecosystems. The main characteristic of the flow through rigid stems is the great spatial variability that exists in the inter-stem space. Thus, to understand flow resistance phenomena in vegetated streams is necessary to resort to a formulation of the momentum and mass conservation equations that take explicitly into account flow variability. This work is aimed at i) the detailed characterization and quantification of the flow within vegetated areas susceptible to be simulated by dense arrays of vertical emergent stems and ii) the independent quantification of the forces, per unit bed area, acting on the stems and on the bed boundary. Both objectives concur for a better knowledge of the flow resistance in wetlands and vegetated areas in general. To meet the proposed objectives, conditions similar to that found in nature were reproduced in a laboratory facility. Three experimental tests were carried out, a test without stems, to characterize a reference situation and two tests with different densities of stems. The measurements of velocity fields were made using a Particle Image Velocimetry (PIV), a non-intrusive technique. The treatment of the data was done with the Double Averaged methodology (DAM), to express the great spatial variability of the flow. A theoretical model for the calculation of the drag force exerted on the stems and the drag force applied to the bed boundary, and respective coefficients, was developed. A sensitivity analysis upon DAM procedures which are not fully mature for hydraulic flows within vegetated areas revealed that special care is needed in the definition of the number and location of the time-averaged profiles. If the profiles location doesn’t made a correct representation of the flow spatial variability, the results can be much influenced. The location of the profiles should be carefully chosen or the sampling density must be high to ensure good mean results, especially if the stem density is low. The results reveal that the contribution of form-induced stresses, namely longitudinal normal and shear stresses, is of the order of magnitude of the contribution of Reynolds stresses. Hence, in general, this stresses cannot be neglected. The analysis of form-induced stresses helps to explain the increase of the drag coefficient when the stem density increases. A vegetação emersa que recobre as planícies de inundação, as margens dos leitos menores e as zonas húmidas, desempenha um papel muito importante no equilíbrio dos ecossistemas fluviais. A principal característica dos escoamentos por entre campos de hastes emersas e rígidas é a grande heterogeneidade que apresentam à escala do espaçamento médio entre as hastes. Assim, para estudar a resistência neste tipo de escoamentos é necessário recorrer a uma formulação das equações de conservação de quantidade de movimento e de massa que incorporem explicitamente a heterogeneidade espacial do escoamento. Os objectivos desta dissertação são i) caracterizar e quantificar o escoamento no interior de zonas povoadas e ii) quantificar as forças, por unidade de área, que o escoamento exerce nas hastes e no fundo do canal, com base nos princípios fundamentais da hidrodinâmica. Para concretizar este objectivos, foram realizados ensaios laboratoriais que reproduziam condições semelhantes às que se encontram no meio natural. Simulou-se um leito sem vegetação que permitiu, por comparação de resultados, avaliar as alterações induzidas pela presença de vegetação em dois ensaios com diferentes densidades de hastes. Nos ensaios laboratoriais mediram-se campos de velocidades instantâneas recorrendo ao sistema de medição não intrusiva Particle Image Velocimetry (PIV). O tratamento dos dados recolhidos foi efectuado com a metodologia Double-Average, devido à grande heterogeneidade do escoamento. Foi desenvolvido um modelo teórico para o cálculo da força aplicada nas hastes e da força exercida no fundo e os respectivos coeficientes de resistência. Este trabalho permitiu concluir que a aplicação da metodologia Double-Average, cujo formalismo não está ainda completamente desenvolvido no domínio dos escoamentos hidráulicos em zonas com vegetação, requer um número elevado de perfis médios ou uma criteriosa distribuição desses perfis para caracterizar adequadamente a heterogeneidade do escoamento. Os resultados obtidos permitiram concluir que as tensões dispersivas, nomeadamente as tensões normais longitudinais e de corte, não são, em geral, desprezáveis face às tensões de Reynolds. A análise do valor das tensões dispersivas normais longitudinais providencia argumentos para explicar, parcialmente, o aumento do coeficiente de arrastamento das hastes com o aumento da densidade de hastes.