Olika index för vattenströmning i (fördröjnings-) dammar har jämförts och utvärderats i en pilotskaledamm. Ett alternativt index föreslås för att uppskatta kortslutningsgraden.
Av: Jörgen Hanaeus
I analysen av t ex fördröjningsdammar ingår ofta beräkning av olika index, som bedöms svara mot grader av kortslutningsströmmar, blandning eller hydraulisk effektivitet. Dessa index har utvärderats; bl a genom försök i en modelldamm, 3 dm djup, där det varit möjligt att variera in- och utloppskonstruktion och placera in mer eller mindre porösa väggar samt dosera spårämne (Rhodamin). Från den detekterade responskurvan vid utloppet kan flera parametrar definieras och beräknas.
Vad beträffar kortslutningsströmmar bedömdes den normaliserade (t/(V/Q)) tiden τ5 då 5 % av tillfört spårämne lämnat dammen beskriva omfattningen bäst. För blandningsgraden föredrogs Mo som är Morrils index: τ90 / τ10. För hydraulisk effektivitet ansågs MI, moment index, vara lämpligast.
Bakgrund
Förståelse för strömningsbilden i dammar är viktig och ska sättas i relation till det arbete en damm förväntas utföra. Utgångspunkten här har varit att hålla tillbaka sediment; dvs partikelavskiljning.
För att förstå dammens hydrauliska funktion; hur länge varje vattenpartikel uppehåller sig i dammen gör man spårämnesförsök med ett ämne vars flödesegenskaper inte avviker mycket från vattnets och som inte reagerar med andra ämnen under transporten. Ett vanligt val är Rhodamin, som ger stark rödfärg och som kan detekteras med fluorometer (fluorescens).
Spårämnet tillsätts då i inloppet och detekteras vid utloppet och vattenflödet hålls vanligen oförändrat under mätningen. Responskurvan (RTD, Residence time distribution) vid utloppet ritas så upp och analyseras.
Ytterligheterna i strömningsbilden, dvs då ingen kortslutning förekommer och blandningen är noll eller total, är å ena sidan pluggflödet eller kolvflödet (plug flow) där alla vattenpartiklar har lika uppehållstid och går ”på led” genom dammen. Ingen blandning sker. Motsatsen är totalomblandat flöde (CMF, completely mixed flow) där tillfört spårämne omedelbart fördelas jämnt i dammen och visar sig i utloppet.Ytterligheterna är förstås svåra att uppnå i praktiken.
Ofta är, liksom här, sedimentering av intresse och då är ett stilla förlopp viktigt i dammen. Ingen blandning eller kortslutning alltså, utan pluggflöde är eftersträvansvärt.
Kortslutning uppstår då inkommande vatten drar med hög hastighet mot utloppet utan att blandas nämnvärt med övrigt vatten i dammen. Spårämnet visar sig då (oväntat) tidigt i utloppet. Dammen har då också döda zoner, dvs. områden med (mycket) låg vattenhastighet.
Sätt att minska kortslutning är att sätta in väggar i dammen eller minska energin i inkommande flöde.
Blandning byggs mer upp av småskaliga förlopp, som turbulent eller molekylär diffusion.
Kortslutning och blandning är inte isolerade fenomen i praktiken, utan förekommer parallellt.
Index
För att kunna jämföra olika dammar, normaliseras ofta tiden (τ = t/(V/Q)) och spårämneskoncentrationen (C’ = c/(M/V)) där t och c är de under försöket mätta värdena och M är mängden tillsatt spårämne.
Många indexförslag förekommer i litteraturen. De kan indelas i tre indexkategorier: kortslutning, blandning eller hydraulisk effektivitet.
För kortslutning är spårämnesfrontens ankomst till utloppet, τi , ett viktigt mått. Ett mer lättanvänt index τ5 föreslås i denna artikel.
För blandning används Morrils index Mo = τ90/ τ10 där siffrorna anger hur stor % -del av spårämnet som passerat utloppet. Ju närmare 1 desto mer pluggflödeslikt, ju större värde desto mer blandning är tolkningen.
Hydraulisk effektivitet gäller dammutnyttjandet och kan beskrivas med parametern λ = tp/tn
där tp är tiden till spårämnestoppen och tn är V/Q.
Ett alternativ till λ är momentindexet MI, som definieras 1- Mpre där Mpre svarar mot momentet för spårämnesytan mellan τ = 0 och 1 med momentarm från τ = 1 (med normaliserad spårämneskoncentration).
Försök
Fem flödessituationer skapades i en pilotdamm med måtten 4,1*1,6*0,3 m3 och lutande sidor.
Flödet var ca 2 L/s.
Fördelningsrör placerades vid inloppet och insamlingsrör vid utloppet båda med modifikationsmöjligheter. Baffles, täta med öppningar vid sidan, eller i form av heltäckande nät (1 mmm hål) kunde sättas in tvärs huvudflödesriktningen. Rhodamin doserades vid inloppet och detekterades med fluorometer vid utloppet. Försöken repeterades 20 ggr. Kurvorna utvärderades mot de olika indexförslagen.
Utvärdering skedde efter tre kriterier: 1) förmåga att återge de fysiska fenomenen, 2) känslighet för förändring i dessa fenomen och 3) statistisk variation. För sistnämnda villkor användes CV, variationskoefficienten, för att bestämma reproducerbarheten.
Resultat
De erhållna spårämneskurvorna visades för varje försöksarrangemang. Ökad styrning drev mot pluggflöde. Den porösa väggen (nätet) var i det avseendet effektivare än den täta med sidoöppning.
Slutsatser
τi indikerade väl graden av kortslutning, men ju längre mättid desto större avvikelse från trenden i τi, möjligen beroende på recirkulation i dammen. Därför bör mättiden förlängas och τ5 provades med framgång.
Morrils index Mo återgav blandningen bäst.
Beträffande hydraulisk effektivitet befanns momentindex MI bättre reproducerbart än alternativet λ; dock var korrelationen dem emellan stark, r= 0,954.
Kunskap om strömning i reaktorer är nyttig för varje VA-ingenjör och det gör artikeln läsvärd även om geometrin på den valda försöksanläggningen kunde ha problematiserats. Jesper Perssons (CTH) och Hans-Bertil Wittgrens (LiTH) verk på området citeras.
Källa: Farjood, A.1), Melville, B.W.1), Shamseldin, A.Y.1), Adams, K.N.1) & Khan, S.2) (2015): ”Evaluation of hydraulic performance indices for retention ponds”. Water Science&Technology 72.1 pp 10-21.
Författarna från:
1) Department of Civil and Environmental Engineering, University of Auckland, Private Bag 92019,Auckland 1142,New Zealand
2) Beca ltd New Zealand, Colombo Street, Sydenham, Christchurch 8023, New Zealand
Kontakt: afar797@aucklanduni.ac.nz
