Aanleiding voor het project
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) en de Krammer jachtensluis (2014). 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. In de baggerindustrie is steeds meer aandacht 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 sedimentafvang. 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 baggersediment.
De werking van het bellenscherm als verzamelaar van drijvend plastic wordt onderzocht met het oog op een toepassing op de IJssel, een project dat is ondersteund van Rijkswaterstaat. Hierbij wordt met name gebruik gemaakt van de oppervlaktestroming die het bellenscherm induceert, en opgemerkt moet worden dat er geen sprake is van een dichtheidsverschil. Om dit soort toepassingen te verkennen wordt echter gebruik gemaakt van dezelfde methodes, en de schaalbaarheid van schaalmodelproeven en de nauwkeurigheid van stromingsberekeningen zoals deze binnen het voorgestelde project worden beschouwd zijn daarmee relevant.
Openstaande vraagstukken
Ten behoeve van een optimalisatie is fundamenteel begrip nodig van de werking van een bellenscherm als scheider van water. De uitgevoerde studies tonen dat het bellenscherm als scheider werkt maar onvoldoende hoe. 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.
Scope of work
In een eerder project is er gefocust op het ontwikkelen en valideren van (fysieke) onderzoeksmethoden. In het huidige project heeft de focus meer op het ontwikkelen van numerieke methoden gelegen.
Het doel van dit project is tweeledig:
1 Inzicht krijgen in de mogelijkheden van numerieke technieken en hun limitatie.
2 Het effect van de belgrootte op het functioneren van het bellenscherm onderzoeken.
Resultaten
Uit het project zijn de volgende producten voortgekomen:
- Verslag van een stagaire. In dit project zijn de beschikbare set meetdata's verder geanalyseerd en is een eerste vergelijking met CFD gemaakt. (Technical_Report_Lina.pdf)
- Master thesis van een student van de TU/E. Deze student heeft een numeriek model ontwikkeld om bellenschermen te kunnen modelleren. De bevindingen van zijn afstudeerproject zijn samengevat in een paper dat ingediend is, maar nog niet gepubliceerd. Zodra publicatie een fout is, zal er hier een link naar dit paper geplaatst worden.
- Memo waarin de huidige stand van zaken omtrent numerieke modelleringen van bellenschermen op een rijtje wordt gezet. (11201789-000-HYE-0002_v0.1-Summary of reserach results of Euler-Euler CFD models of a bubblescreen.pdf)
