DEL062 11201091 Effectiviteit van een bellenscherm als scheider van water van verschillende dichtheden

Geplaatst op: 29 maart 2021

Aanleiding van 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.
Openstaande vraagstukken
Ten behoeve van een optimalisatie is fundamenteel begrip nodig van de werking van een bellenscherm als scheider van water van verschillende dichtheden. De uitgevoerde studies tonen dàt het bellenscherm als scheider werkt maar onvoldoende hóe. Onderstaand wordt een lijst gegeven van relevante, openstaande vraagstukken.
• Het effect van de belgrootte, en daarmee het ontwerp van het bellenscherm manifold op de prestatie als scheider van water met verschillende dichtheden;
• Het effect van de gelaagdheid 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

Doel van het project

Het doel van het voorgestelde onderzoek is drieledig:
1. De kennis van de werking van het bellenscherm vergroten;
2. De representativiteit van schaalmodel- en van numeriek onderzoek vaststellen;
3. Aansluiting bij markt en wetenschap vinden op dit onderwerp.
Ad 1. Hiermee wordt bedoeld het vaststellen van hóe een bellenscherm werkt als scheider van water van verschillende zoutconcentraties. Hiertoe wordt de werking van de bellen op het water in kaart gebracht en wordt vastgesteld wat de gevoeligheid is van de prestatie van het scherm op verschillende randvoorwaarden en ontwerp of inzet van het bellenscherm.
Ad 2. Het vergelijken van schaalmodelmetingen op kleine schaal en van numerieke berekeningen met literatuur en met elkaar is hierin een belangrijke stap. Ook het vergelijken van resultaten op basis van metingen met verschillende verschalingen ofwel van verschillende berekeningsmethodieken i.h.g.v. numeriek onderzoek kan hiervan onderdeel zijn.
Ad 3. Een derde doel is om in het kader van de bellenschermtoepassing als scheider van water van verschillende dichtheden aansluiting te vinden bij de wetenschap en markt. Om deze reden wordt nagestreefd het onderzoek in nauwe samenwerking uit te voeren met m.n. de TUDelft, in het bijzonder de vakgroepen Transport Phenomena (o.a. prof. dr. Robert F. Mudde) en Process & Energy Fluid Mechanics (o.a. prof.dr.ir. Jerry Westerweel). Ook wordt samenwerking gezocht met de markt, om op de hoogte te zijn van hun ervaringen met het bellenscherm en van ontwikkelingen daarin of van metingen.

Omschrijving van de activiteiten

Verrichte acties tussen september 2016 en maart 2017
Vooruitlopend op het voorgestelde onderzoek zijn reeds enkele acties gestart.
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. Gedurende het project is een aantal keer gesproken met prof. R.F. Mudde van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Vanuit deze faculteit werd een extra meetinstrument aan Deltares uitgeleend om meer inzicht te verkrijgen in de belgrootte en -snelheid. Tevens heeft dhr. Mudde en zijn promotiekandidaat M. Mandalahalli inhoudelijk bijgedragen aan het onderzoek. Ten slotte heeft de samenwerking ertoe geleid dat deze vakgroet twee MSc afstudeeronderzoeken heeft uitgeschreven gericht op een fundamenteel begrip van het gedrag van bellen in zout water en het kunnen meten van de belgrootte en stijgsnelheid m.b.v. geavanceerde meettechnieken.
De resultaten van het bovengenoemd meetonderzoek hebben ook geleid tot een extended abstract en een presentatie op de International Symposium on Shallow Flows (ISSF) komende juni 2017, waarmee verder wordt getracht om op het gebied van bellenschermen als scheider van water met verschillende dichtheden aansluiting te vinden in de internationale wetenschappelijke wereld.
In februari 2017 is gestart met een vijftal studenten onder gezamelijke begeleiding van Deltares en prof. J. Westerweel van de faculteit Werktuigbouwkunde. Deze studenten zullen een meetmethode ontwikkelen en valideren om de dichtheden aan weerszijden van een bellenscherm te meten in tijd en ruimte, op basis van videobeelden van testen waarin het zoute water gekleurd is. Deze testen stellen ons in staat om de verschillen tussen verschillende ontwerpen van bellenschermen, of van verschil in inzet (o.a. toegepast debiet) vast te

Verwachte resultaten

Het verwachte resultaat is dat onderzoeksmethodes op het gebied van bellenschermen als scheider van water met verschillende dichtheden zijn verbeterd. Een stap is gemaakt in de kennisontwikkeling m.b.t. hoe de prestatie van het bellenscherm geoptimaliseerd kan worden, en het is mogelijk geworden om hierin nader onderzoek uit te voeren met partners uit de markt en wetenschap.

Innovativiteit

De afgelopen jaren zijn studies uitgevoerd naar de toepassing van het bellenscherm in sluizen. Metingen onderschrijven de toepasbaarheid van deze bellenschermen. De werking van het bellenscherm als scheider van zout en zoet water wordt echter onvoldoende fundamenteel begrepen om opschaling naar grotere sluizen en optimalisatie van energieverbruik mogelijk te maken. Daarnaast mist benodigde kennis om onderzoek aan deze toepassing uit te voeren met overheden en marktpartijen: o.a. schaalfactoren, schaalregels en innovatieve meetmethodes. Dit zijn voorbeelden van de innovativiteit van het project.

Valorisatie

De kennis die in dit project wordt opgedaan zal worden gepubliceerd in (journal en/of conferentie) papers en worden gepresenteerd op conferenties. Toepassing in de praktijk valt buiten de scope van het onderzoek.

Link naar projectresultaten…