Turbulence structure in open channel flows over highly permeable beds

This thesis presents a set of experiments carried out in order to study the behaviour of turbulent open channel flows over rough and permeable surface. For this kind of flow it is still not fully understood how the surface and subsurface within the permeable bed interact and influence each other. The interaction between surface and subsurface has an important role in the stream ecosystems and the generic problem of flows over permeable walls is relevant for a range of environmental and industrial applications. The aim of this study was to carry out a series of laboratory experiments in order to gain insight into: 1) the influence of permeability on flow resistance in open channel flows over permeable rough beds; 2) the velocity statistics in the free stream in open channel flows with small relative submergence; 3) the velocity statistic within a porous bed of an open channel. The data obtained from these experiments have been analysed and interpreted using the Double Averaging Methodology (DAM) as the theoretical framework. The results confirm that bed permeability can significantly affect flow resistance. An increase of the friction factor for up to 50%, compared to the permeable bed with same surface roughness, was found for fully developed turbulent flow. Close to the bed surface the free-surface flow is clearly influenced by the bed geometry. Subsurface flow measurements confirm that the turbulence imposed by the surface flow penetrates into the subsurface and then gradually dissipates.

Questa tesi presenta una serie di esperimenti realizzati al fine di studiare il comportamento del flusso in canali aperti caratterizzati da un fondale rugoso e permeabile. In queste particolari condizioni non è ancora del tutto chiaro come il flusso superficiale e quello all’interno del letto interagiscono e si influenzano a vicenda. L’interazione tra surface e subsurface ha un ruolo significativo nell’ecosistema dei fiumi e in generale il flusso sopra superfici permeabili risulta cruciale in una larga gamma di applicazioni in ingegneria ambientale e industriale. Lo scopo di questo studio è stato quello di effettuare una serie di esperimenti di laboratorio al fine di conoscere: 1) l’influenza della permeabilità sulla resistenza nei flussi a pelo libero sopra superficie rugose e permeabili; 2) le grandezze significative nelle superficie libere con altezza relativa di immersione piccola; 3) le grandezze significative all’interno del letto di un canale aperto. I dati ottenuti dagli esperimenti sono stati analizzati e interpretati utilizzando la metodologia della doppia media (DAM) come base teorica. I risultati confermano che la permeabilità può influenzare significativamente la resistenza del flusso. Si sono ottenuti aumenti del 50% nei valori di coefficiente d'attrito rispetto a letti impermeabili con le stesse caratteristiche di rugosità. Il flusso nella superficie libera è chiaramente influenzata dalla geometria del letto nei livelli più bassi. La turbolenza imposta dal flusso in superficie penetra all'interno del fondale poroso e si dissipa gradualmente.