Image processing and experimental techniques to characterize the hydraulic performance of grate inlets

Abstract

This Doctoral Thesis dissertation concerns two main research topic: the analysis of the flow velocity pattern in the nearness of a grate inlet through Surface Flow Image Velocimetry (SFIV) technique and the study of overflow of surcharged sewer system through grate inlets.

Concerning the first main issue, a methodology able to reproduce the velocity field and, consequently, the flow distribution around the grate inlet, has been proposed. This methodology can be used by inlet manufacturers to improve the design of their products in order to collect as much water as possible in case of storms. In fact, water is collected by two main mechanisms: the frontal flow where the amount of water is intercepted through the upper part of the inlet (orthogonal to the flow direction), and the lateral flow where the flow is intercepted through the lateral side of the inlet (parallel to the main flow direction). As demonstrated and discussed in this thesis, this lateral inflow, due to the transversal component of the flow, is around a 20 - 30% respect to the 70 - 80% of the frontal flow.

The second main issue treated in this thesis has been the behavior of the overflow by grate inlet due to pressured sewer systems. The estimation of grate inlet discharge coefficients and the head energy loss in this kind of situation could be very important to provide useful values to be used by commercial numerical code that nowadays use common default values assuming orifice or weir approaches.

The experimental campaigns related to the two main topics were carried out using a physical model in real scale located in the Hydraulic Laboratory of the Technical University of Catalonia. It is important to consider that the SFIV technique method could be also extrapolated to other applications in the fields of hydraulic engineering like rivers and costal engineering.

Esta tesis doctoral trata dos temas principales: el análisis del patrón de velocidad de flujo en la proximidad de una reja de alcantarillado a través de la técnica de la velocimetría por imagen del flujo de superficie (en inglés Surface Flow Image Velocimetry, SFIV) y la salida de un flujo por una reja producido por la entrada en carga de un sistema de alcantarillado. En cuanto a la primera cuestión, se propuso una metodología capaz de reproducir el campo de velocidad y, consecuentemente, la distribución del caudal alrededor del sumidero. Esta metodología puede ser utilizada por los fabricantes de rejas de alcantarillado para poder mejorar el diseño de sus productos y así poder recoger la mayor cantidad de agua posible durante eventos de lluvia. De hecho, el agua es interceptada a través de dos mecanismos principales: el flujo frontal donde la cantidad de agua es interceptada a través de la parte aguas arriba de la reja (lado ortogonal a la dirección del flujo), y el flujo lateral donde el flujo es interceptado a través del lado lateral de la reja (lado paralelo a la dirección principal del caudal). Como se demuestra y se discute en esta tesis, esta afluencia lateral, debido al componente transversal del flujo, es alrededor de un 20-30% respecto al 70-80% del flujo frontal. La segunda cuestión principal tratada en esta tesis ha sido el comportamiento del flujo producido por la entrada en carga de un colector de alcantarillado y la salida de dicho flujo al exterior a través de una reja de alcantarillado. La estimación de los coeficientes de descarga de la reja y la pérdida de energía hidráulica en estas condiciones podrían ser muy importantes para proporcionar valores útiles para ser utilizados por códigos numéricos comerciales que hoy en día utilizan valores predeterminados comunes asumiendo enfoques hidráulicos de tipo orificio o vertedero. Las campañas experimentales relacionadas con los dos temas principales se llevaron a cabo utilizando un modelo físico en escala real ubicado en el laboratorio hidráulico de la Universidad Politécnica de Cataluña. Es importante tener en cuenta que el método de la técnica SFIV podría ser también extrapolado a otras aplicaciones en los campos de la ingeniería hidráulica como la ingeniería de ríos o la ingeniería costera.