بخشی از مقاله
Abstract
A morning glory spillway consists of three main parts, circular crest and vertical shaft with an elbow to the throat and horizontal or nearly horizontal tunnel. Based on the water surface elevation, there exist three types of flow control: flow control at the spillway crest, flow control at the shaft and flow control at the top of the sha tunnel. FLOW3D so ware used for numerical modeling and the results were compared with lab work, and good agreement were observed. discharge ‐ head graph for morning glory spillway is presented which shows that the discharge increases, flow regime is changed and in the case of complete submergence, significant changes in the head is observed with a small increase in flow rate. Well as reviews on the length of the vertical shaft, shows of a direct influence of this change on head the crown of the, So that the by increasing or decreasing the length of the shaft, more or less friction and at a known flow rate on the crown of the head is more or less will be.
Keywords: Morning Glory Spillway, Numerical Simulation, Flow Pattern, Geometric Change,
Flow3d
بررسی عددي تأثیر تغییرات ارتفاع شفت قائم بر الگوي جریان در سرریز نیلوفري
مجید احسانی1، سید علی اکبر صالحی نیشابوري2
-1 تربیت مدرس
-2 تربیت مدرس
Saeed.ehsaninoori@gmail.com
خلاصه
سرریزهاي نیلوفري شامل سه قسمت اصلی تاج دایرهاي، شفت قائم با یک زانویی که به گلوگاه معروف است و مجراي افقی یا تونلتقریباَ افقی
میباشد. رفتار جریان در سرریزهاي نیلوفري با توجه به رقوم سطح آب دریاچه سد، به سه نوع کنترل جریان از تاج سرریز، کنترل جریان از شفت قائم و کنترل جریان در ابتداي تونل قابل دسته بندي است. در تحقیق حاضر براي مدلسازي عددي از نرم افزار FLOW3D استفاده شده
و نتایج با کار آزمایشگاهی مقایسه گردیده است، که نتایج تطابق مطلوبی را نشان میدهند. نمودار دبی – اشل براي سرریز نیلوفري ترسیم گردیده که نشان میدهد همچنانکه عمق آب روي سرریز نیلوفري افزایش مییابد، رژیم جریان نیز تغییر میکند و در حالت استغراق کامل با افزایش کم دبی، هد به میزان قابل توجهی زیاد میگردد. همچنین بررسی بر روي تغییر طول شفت قائم، از تأثیر مستقیم این تغییر بر روي هد روي تاج را نشان میدهد، بطوریکه با افزایش یا کاهش طول شفت، اصطکاك هم بیشتر یا کمتر شده و در یک دبی مشخص هد روي تاج نیز زیاد یا کم میگردد.
کلمات کلیدي: سرریز نیلوفري، مدلسازي عددي، رژیم جریان، تغییر هندسی، FLOW3D
1. مقدمه
سرریزهاي نیلوفري یکی از انواع رایج سرریزها براي تخلیه آب اضافی پشت سدها میباشند. این نوع از سرریزها بیشتر در مخازن سدهایی با دبی کم تا متوسط استفاده میشوند که معمولاً طراحی سرریزها براي سیلابهایی با دوره بازگشت 1000 ساله و کنترل طراحی با دوره بازگشت 10000 ساله انجام میشود. سرریزهاي نیلوفري در درههاي تنگ و باریک که تکیه گاهها بصورت پلکانی
1دانشجوي کارشناسی ارشد سازه هاي هیدرولیکی تربیت مدرس
٢استاد هیدرولیک تربیت مدرس
بالا میروند و محدودیت مکانی براي ساخت دیگر سرریزها وجود دارد، بسیار مؤثر هستند. مهمترین مزیت سرریزهاي نیلوفري کاهش هزینههاي ساخت آن با استفاده از تونل انحرافی احداث شده در زمان ساخت سد به عنوان تونل افقی میباشد. همچنین در سدهاي خاکی استفاده از این نوع سرریز در مخزن و جداي از بدنه سد موجب کاهش احتمال خطر آبشتگی و اشباع شدن پوسته پایین دست سد میگردد.
سرریز نیلوفري سه قسمت اصلی دارد: تاج ورودي فنجانی شکل، مجراي قائم و مجراي انحراف تقریبا افقی (شکل(1
شکل-1 طرح کلی سرریز نیلوفري
در سال 1954 بردلی3 تحقیق گسترده اي بر روي سرریزهاي نیلوفري در حال بهره برداري در کشورهاي مختلف انجام داد. تا آن تاریختقریباً 30 سرریز نیلوفري ساخته شده یا در دست ساخت بود که بردلی، 16 سرریز ساخته شده را بررسی نمود.[1] یکی از کامل ترین تحقیقات انجام گرفته در مورد سرریزهاي نیلوفري آزمایشات واگنر4 در سال 1954 است. در این آزمایشات از یک سرریز مدل لبه تیز دایره اي استفاده شد. ضرایب تخلیه5 و شکل پروفیل جریان ورودي (سطح آزاد رو و زیر جریان) در وضعیت هوادهی کامل براي سه عمق نزدیکی20 6، 3 و 1/5 اینچ اندازه گیري شده است.[2] گابریس7 و دگت8 در سال 1974 به بررسی جریان ورودي به یک تخلیه کننده قائم پرداختند. هدف ایشان به دست آوردن یک مدل کلی براي سیستم هاي هیدرولیکی شبیه به هم بود که در آن ها مسئله گرداب همراه با ورود هوا، بر کارایی و میزان تخلیه سیستم تأثیرگذار باشد. آنها توجه خود را به دو عامل لزجت و کشش سطحی معطوف کرده و بیان مینمایند که این دو عامل به ترتیب بر شکل چرخش و جاذبه ثقلی در پدیده گرداب تأثیر میگذارند.[3] پینوتی در سال 2008 به بررسی مدل فیزیکی سرریز نیلوفري مخزن ذخیره والنوسی9 پرداخت. هدف
3 J. N. Bradly 4 W.E.Wagner 5 Discharge coefficient 6 Approach depth 7 Gabris 8 Dagget 9 Val Noci
از این بررسی ارزیابی رفتار هیدرولیکی سرریز نیلوفري والنوسی و بهبود کارایی و امنیت آن بود.[4] فریرا فیس10 درسال 2008 با یک کار آزمایشگاهی به آنالیز منحنی کنترل جریان در شفت قائم و ورودي سرریز نیلوفري پرداخت و معادلاتی براي تصحیح ضریب دبی در منحنی دبی – هد ارائه کرد.[ 5]حسینی و عالمی در سال 1389 در مقاله اي سعی کردند عملکرد هیدرولیکی سرریزهاي نیلوفري و اوجی را بوسیله مدلسازي عددي مورد بررسی قرار دهند. ایشان به کمک مدل عددي پارامترهاي جریان، مانند پروفیل سطح آب و توزیع فشار را تعیین کردند و با اطلاعات الگوهاي طراحی USBR و USACE مقایسه نمودند.[6]
یوسفوند و باقري در سال 1391 با بررسی آزمایشگاهی تاثیر شعاع قوس زانویی بر هیدرولیک جریان سرریزهاي نیلوفري چنین استنباط نموند که با افزایش مقدار شعاع زانویی در سرریز نیلوفري ضریب تخلیه دبی جریان افزایش مییابد، ولی با افزایش عمق استغراق ضریب تخلیه دبی جریان کاهش مییابد.[7] رمضانی در سال 1392، تاثیرات قطر تاج سرریز و عمق تقرب بر روي میدان جریان را به صورت عددي مورد آزمون و ارزیابی قرار داد. ابتدا به منظور بررسی و مقایسه پارامترهاي هیدرولیکی سرریز نیلوفري سد البرز، 26 آزمون براي جریانهاي مختلف ورودي که هر سه رژیم جریان حاکم بر سرریز نیلوفري را پوشش میدهند، صورت گرفت و نشان داد که میزان آبگذري علاوه بر هندسه تاج سرریز، به محل قرارگیري این سرریز در داخل مخزن نسبت به تاج سد، هد آب، سرعت ورودي جریان در داخل تاج و گرداب شکنها، به قطر تاج سرریز و عمق تقرب هم بستگی دارد.[8]
براساس تحقیقات گذشته، رفتار جریان در سرریزهاي نیلوفري با توجه به رقوم سطح آب دریاچه سد، به سه نوع قابل دسته بندي است : کنترل جریان از تاج سرریز، کنترل جریان در شفت و کنترل جریان در ابتداي تونل در حالت تحت فشار. سرریز نیلوفري ممکن است بصورت سطح آزاد11 و یا بصورت مستغرق12 طراحی شود. در رقوم پایین سطح آب دریاچه، رفتار جریان در سرریز نیلوفري تابع دبی عبوري از تاج سرریز میباشد. در این حالت شفت قائم بصورت نیمه پر عمل نموده و جریان به دیواره شفت و زانویی برخورد میکند. آزمایشات نشان میدهد که تا زمانیکه نسبت H0 بر RS کوچکتر از 0,45 باشد، (که در آن H0
ارتفاع آب روي سرریز و RS شعاع تاج سرریز میباشد) کنترل در سرریز است و با افزایش مقدار این نسبت، استغراق بیشتر می شود، زمانیکه این نسبت به مقدار واحد برسد، سرریز کاملا مستغرق خواهد بود که از این مرحله به بعد کنترل در روزنه خواهد بود.[9]
حالت هاي مختلف جریان در سرریز نیلوفري در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که نمودار نشان می دهد، حالت اول کنترل تاج13 دبی جریان از نقطه a تا g، در حالت دوم کنترل روزنه14، دبی از g تا h و در حالت سوم کنترل مجرا15
دبی از نقطه h به بالا خواهد بود.
10 Ferreira Fais 11 Free Flow 12 Submerged Flow 13 Crest control 14 Tube control 15 Conduit control
در حالت سطح آزاد، رفتار سرریز نیلوفري مانند سرریز مستقیم معمولی است و مقدار دبی عبوري با ارتفاع آب روي آن نسبت 1/5 دارد.
(١)
از طرف دیگر در حالت مستغرق، شرایط جریان کاملا متفاوت است، تغییرات دبی با ریشه دوم عمق روي سرریز نسبت دارد.
(2)
درنتیجه با توجه به توضیحات ارائه شده، از آنجاییکه طراحی سرریز نیلوفري در هر یک از این دو حالت متفاوت است، تبیین و ارائه نمودار دبی-هد براي سرریزهاي نیلوفري کاملا مفید و الزامی میباشد. از طرف دیگر، دانستن این نکته که تغییر در شرایط هندسی سرریز نیلوفري، چگونه بر روي روند جریان در این سرریز اثر میگذارد، میتواند براي طراحی سرریز نیلوفري راهگشا و مفید باشد. به همین منظور در مطالعه حاضر سعی شده، نمودار دبی – هد براي سرریز نیلوفري البرز ارائه گردد و تاثیر تغییر ارتفاع شفت قائم بر روي روند عبور جریان مورد بررسی قرار گیرد.
شکل-2 حالت هاي مختلف جریان در سرریز نیلوفري
2. مواد و روش ها
