Flexible Obstacles in River and Flood Flows: a Laboratory Study

Abstract

En este trabajo se ha estudiado las fuerzas de arrastre en elementos flexibles, que representan diferentes elementos como vegetación y algunas estructuras hechas por el hombre como defensas fluviales e incluso estructuras arquitectónicas más grandes. El modelo establecido para este estudio se basa en experimentos de laboratorio de cilindros aislados de tres rigideces diferentes en tres tipos de flujos uniformes. Los experimentos de laboratorio se realizaron con tres tipos de flujos, el rango del Número de Reynolds fue de 2000 a 6000. Los obstáculos probados tenían números de Cauchy basados en su rigidez a la flexión en el rango de 10⁻³ a 10⁻². Se estudió la relación de las fuerzas de arrastre con la velocidad y la flexibilidad, la relación varía según el número de Vogel. Además, se comprobó la dependencia del coeficiente de arrastre con el Número de Reynolds y el Número de Cauchy. Esta tesis puede ser utilizada en un amplio campo de soluciones hidráulicas, que involucra elementos flexibles ubicados en los lechos y márgenes de cauces tales como ríos, canales naturales y artificiales. Asimismo, se puede utilizar como base para estudios más detallados y con diferentes características de flujos y elementos de diversa geometría y flexibilidad.

In this dissertation, drag forces for single flexible cylindrical obstacles were measured in a flume; the cylinders had the same material and size but with variable levels of flexibility under different flow conditions. The range of Reynolds Number, based on the cylinder diameter, was from 2000 to 6000. The tested obstacles had Cauchy numbers based on their flexural stiffness in the range of 10⁻³ to 10⁻² . Through two analytical models, the drag coefficients CD were obtained, with values between 1.2 and 1.7, that agree with other authors for the same range of Re and Ca. We found that the ratio of the calculated drag coefficient of CD to the drag coefficient of a stiff element CD0 is approximately 1 for our range of Cauchy Number Ca, this ratio decreases slightly to around 0.97 for the highest Ca, that is the most flexible obstacle. Furthermore, we found a high dependence of the drag coefficient on the Reynolds number, as well as the relationship between the drag forces and velocity. Additionally, we observed higher values of standard deviation in the measured force when the velocity increases. This suggests that in further studies, the effect of the vibration in the obstacle on the drag coefficient, as well as the effect of higher Reynolds number and Cauchy number, should be considered.