Prediction of oxygen content of nappe, transition, and skimming flow regimes in stepped-channel chutes

摘要

In a stepped-channel chute, the chute face is provided with a series of steps, from near the crest to the toe. Like many other high-speed flow configurations in hydraulic engineering, stepped-channel chute flows are characterized by the large amount of self-entrained air. Air entrainment on stepped-channel chutes is also recognized for its contribution to the oxygen transfer. The flow conditions in stepped-channel chutes have been classified into nappe flows, transition flows, and skimming flows. In this study, the aeration efficiency of stepped-channel chutes was investigated, and in particular, the effect of varying flow regimes. The results indicated that the nappe flow regime led to the larger aeration efficiency than the other flow regimes. Moreover, the mass transfer equations were developed to predict the aeration efficiency of the stepped-channel chutes in terms of dissolved oxygen. There is good agreement between the measured aeration efficiency values and the values computed from the predictive equations.Key words: aeration efficiency, oxygen transfer, stepped-channel chute, skimming flow, transition flow, nappe flow.Dans les chutes étagées, le front de la chute est muni d'une série de marches, de près de l'arête jusqu'au pied. Comme plusieurs autres configurations d'écoulements à grande vitesse en hydraulique technique, les écoulements dans les chutes étagées sont caractérisés par une grande quantité d'air entraîné. L'entraînement d'air dans les chutes étagées est également reconnu pour sa contribution au transfert d'oxygène. Les conditions d'écoulement dans les chutes étagées ont été classées sous écoulements en nappe, écoulements de transition et écoulements extrêmement turbulents. Cette étude examine l'efficacité de l'aération des chutes étagées et, plus particulièrement, l'effet de la variation des régimes d'écoulements. Les résultats indiquent que le régime d'écoulement en nappe a engendré une plus grande efficacité d'aération que les autres régimes d'écoulement. De plus, des équations de transfert de masse ont été développées afin de prédire l'efficacité d'aération des chutes étagées en termes d'oxygène dissous. Il existe une bonne corrélation entre les valeurs mesurées d'efficacité d'aération et les valeurs calculées à partir des équations prédictives.Mots clés : efficacité de l'aération, transfert d'oxygène, chute étagée, écoulement extrêmement turbulent, écoulement de transition, écoulement en nappe. [Traduit par la rédaction]