Context

Schutsluizen gelegen tussen zout en zoet water vormen naast een bescherming tegen hoogwater de toegang voor scheepvaart. Bij elke schutting lekken zij echter een volume van zout water de zoete binnenwateren in. Deze binnenwateren dienen als bron voor drinkwater en voor de agrarische sector. Daarnaast heeft de kwaliteit van deze wateren een sterk ecologisch belang. Met de groei van het volume transport over water en met de aanleg van nieuwe, grotere sluizen neemt de zoutindringing door schutsluizen nadrukkelijk toe.

Bellenschermen worden ingezet als methode om de zoutindringing te voorkomen. Verschillende recente onderzoeken beschouwen vernieuwde ontwerpen van bellenschermen, in de Stevinsluis (2010, zie Uittenbogaard et al. 2015) en de Krammer jachtensluis (2014; zie Weiler et al. 2015). Naast bellenschermen beschouwen deze studies ook het toepassen van een spoeldebiet van zoet water door de kolk, en van waterschermen. De studies voeden de keuze tussen het gebruik van zoet water (indien voldoende beschikbaar) of van energie (vooral voor bellenschermen). Het energiegebruik, en de installatiekosten voor grote compressoren, zijn aanleiding voor een gewenste optimalisatie van de bellenschermtoepassing.

Het inzetten van bellenschermen om water van verschillende dichtheden te scheiden beperkt zich niet enkel tot schutsluizen. Een voorbeeld is de toepassing van bellenschermen in de baggerindustrie, waar steeds meer aandacht is voor de environmental impact van de baggerwerkzaamheden. Om gebaggerd materiaal niet in suspensie in de omgeving te brengen, bijvoorbeeld wanneer dit gevoelige koraalgebieden betreft, wordt een tijdelijke haven gebruikt als sediment afvang. Om te voorkomen het sediment daar uit stroomt wordt het bellenscherm ingezet in de havenmond. Het concept leunt op de kennis die is opgedaan in de toepassing in schutsluizen maar er zijn belangrijke verschillen tussen zout water en water met bagger sediment.

Openstaande vraagstukken

Ten behoeve van een optimalisatie is fundamenteel begrip nodig van de werking van een bellenscherm als scheider. De uitgevoerde studies tonen dàt het bellenscherm in een schutsluis werkt als scheider van water van verschillende dichtheden maar onvoldoende hóe. Hiermee is tevens onvoldoende kennis beschikbaar om advies te leveren over de bovenstaand geschetste overige toepassingen van het bellenscherm.

Onderstaand wordt een lijst gegeven van relevante, openstaande vraagstukken.

• Het effect van de belgrootte, en daarmee het ontwerp van de bellenscherm generator op de prestatie als scheider van water met verschillende dichtheden;
• Het effect van een mogelijke stratificatie in de kolk op de prestatie;
• De schaalbaarheid van de toepassing naar diepere kolken, met name gezien de grotere drukverschillen tussen weerszijden van het scherm;
• Het effect van de zoutconcentratie van het water op het gedrag van het bellenscherm;
• De robuustheid van het bellenscherm in relatie tot de deurbeweging, het doorvaren van schepen en andere verstoringen;
• De mate waarin de werking van het scherm leunt op mixen danwel op waterbeweging, en hoe deze processen zijn te sturen ten gunste van een optimaal bellenscherm;
• De inzetbaarheid en nauwkeurigheid van CFD (computational fluid dynamics; numerieke stromingsberekeningen) in het bepalen van de prestatie van bellenschermen;
• De effectiviteit van een bellenscherm in een langs- of dwarsstroming als scheider en als generator van stroomsnelheden aan het oppervlak.
• De inzetbaarheid van een bellenscherm om de verspreiding van deeltjes (sediment of bacteriën) in suspensie uit een bassin te voorkomen.

De vragen rond het bellenscherm zijn generiek en fundamenteel van aard. Tenslotte is het bellenscherm een drijver van transport van water in een gelaagd systeem, waarbij het wordt beïnvloed door de druk aan weerszijden en de zoutconcentratie en dichtheid van het water waarin het zich bevindt. Deze randvoorwaarden maakt het ook anders dan bekende toepassingen van bellenschermen of –pluimen in industrie.

Aanleiding van het onderzoek

 Om het bellenscherm toe te kunnen passen in diepere sluizen, of toe te passen op andere gebieden dan schutsluizen, is een begrip nodig van waarom en hoe het bellenscherm als scheider werkt. Maar zelfs om ontwerpvarianten of de invloed van verschillende randvoorwaarden te beschouwen dient te worden vastgesteld wat de representativiteit is van schaalmodel- of numeriek onderzoek. Het ontwikkelen van deze onderzoeksmethodes is het hoofddoel van het voorgestelde onderzoek.

Doel van het project

Het doel van het voorgestelde onderzoek is tweeledig:

1. De kennis van de werking van een bellenscherm vergroten;
2. Nieuwe onderzoeksmethodes ontwikkelen en valideren;

Verrichte acties tussen september 2016 en maart 2017 (voorafgaand aan het TKI onderzoek)

Gedurende september t/m december heeft Deltares met een studente van de TUDelft metingen verricht op kleine schaal. Met name betrof het metingen in een goot met waterdiepte ca. 1 m en breedte 1 m. Deze metingen lieten een goede eerste overeenkomst zien met zowel schaalmodel- als in situ metingen uit literatuur. De resultaten zijn gepresenteerd in Van der Ven en Wieleman (2017). Van de faculteit Technische Natuurwetenschappen (TUDelft) werd een extra meetinstrument aan Deltares uitgeleend om meer inzicht te verkrijgen in de belgrootte en -snelheid.

a

b

Schaalmodel van een bellenscherm (a) en de meetresultaten vergeleken met literatuur (b).

Verrichte acties tussen maart en september 2017 (binnen TKI project DEL062)

Van februari tot en met juni 2017 is een project uitgevoerd met een vijftal studenten in het kader van hun studie Werktuigbouwkunde. Het project viel onder gezamelijke begeleiding van Deltares en de vakgroep Fluid Mechanics van de faculteit 3ME (TUDelft). Deze studenten hebben een innovatieve meetmethode toegepast welke de dichtheden aan weerszijden van een bellenscherm vastlegt in tijd en ruimte, op basis van videobeelden van testen waarin het zoute water gekleurd is.

In het kader van het voorgaande TKI onderzoek Effectiviteit van een bellenscherm als scheider van water van verschillende dichtheden hebben deze metingen een vervolg gekregen in de zomermaanden van 2017. In de faciliteiten van Deltares was het mogelijk om de metingen uit te voeren onder gecontroleerde lichtomstandigheden. Hiermee wordt het mogelijk de metingen zodanig te kunnen verwerken dat kwantitatieve en gedetailleerde gegevens worden verkregen. De kwantificering van de meting is benodigd om de (relatief kleine) verschillen tussen verschillende ontwerpen van bellenschermen, of van verschil in inzet (o.a. toegepast debiet) vast te kunnen stellen. Binnen deze meetserie is ook de belgrootte gevarieerd, welke een belangrijke maar in de beschikbare literatuur ontbrekende parameter is voor de verschaling van bellenschermexperimenten en de effectiviteit van bellenschermen.

De resultaten zijn gepubliceerd gepubliceerd in een artikel in het International Journal of Multiphase Flow.