بخشی از مقاله
** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست **
بررسي استهلاک انرژي روي سرريز پلکاني لبه دار
چکيده
مستهلک کردن انرژي حاصل از جريان سرريز يکي از مهمترين موضوعات مطرح شده در سازه هاي هيدروليکي ميباشد. در دهه هاي اخير سرريزهاي پلکاني نقش مهمي در اين مورد داشته اند. پله ها در اين نوع سرريزها باعث استهلاک انرژي جريان مي شوند.مسئله مورد اهميت ، افزايش اثر اين پله ها در ميزان استهلاک انرژي جريان است .هدف از تحقيق پيش رو، بررسي و تجزيه و تحليل استهلاک انرژي جريان روي سرريز پلکاني لبه دار مي باشد.اين تحقيق بر پايه کار آزمايشگاهي بر روي مدل يک سرريز پله اي نگارش شده است . روش کار به اين صورت است که در ابتدا لبه هايي با ابعاد مختلف از نظر ارتفاع ، عرض و شيب بالادست لبه ، طراحي و ساخته ميشود. سپس اين لبه ها در انتهاي پله ها تعبيه و جاگذاري شده و استهلاک انرژي جريان در رژيم هاي ريزشي و رويه اي بر روي اين پله هاي لبه دار محاسبه ميشود. متفاوت بودن ارتفاع ، عرض و شيب لبه ها باعث ميشود که اثرات هرکدام از اين پارامترها در ميزان انرژي مستهلک شده مشخص گردد. نتايج نشان ميدهد که در رژيم ريزشي ارتفاع ، عرض و شيب بالادست لبه بر ميزان استهلاک انرژي جريان تاثيرگذار ميباشند اما در رژيم رويه اي تنها ارتفاع لبه هابه ميزان ناچيزي در ميزان استهلاک انرژي موثر بوده و عرض و شيب لبه در ميزان انرژي مستهلک شده تأثيري ندارند.با بررسي اين نتايج و مقايسه و تحليل آنها با يکديگر روابطي پيشنهاد مي شود که بتوان ميزان درصد استهلاک انرژي جريان روي سرريزهاي پلکاني لبه دار را از طريق اين روابط براي هر دو رژيم ريزشي و رويه اي بدست آورد.
واژه هاي کليدي :سرريز پلکاني، رژيم جريان ريزشي، رژيم جريان رويه اي، استهلاک انرژي، لبه ، پله لبه دار
مقدمه
تاريخچه : شوت هاو سرريزهاي پلکاني داراي سابقه اي طولاني معادل با ٣٥٠٠ سال هستند.سرريزهاو کانال هاي پله اي در زمان هاي گذشته به منظور کاهش سرعت جريان به کارميرفتند [١]. در دهه هاي اخير با توجه به پيدايش تکنيک RCC در ساخت سدها مجددا تمايل به سمت ساخت شوت هاي پله اي بيشتر شد.
اکنون سدهاي RCC را به گونه ايميسازند که بدنه پايين دست آنها پله اي بوده تا بدين وسيله در صورت گذر سيل از روي سد پله ها انرژي سيل را تا حد بسيار زيادي مستهلک کنند. کاهش ابعاد حوضچه آرامش در انتهاي شوت سرريز نيز از ديگر مزاياي استفاده از سرريزهاي پلکاني ميباشد.
اکثر محققان الگوي جريان در سرريزهاي پلکاني را به شرح زيربيان داشته اند.
١-جريان ريزشي با شدت جريان کم
٢-جريان رويه اي با شدت جريان زياد
٣-جريان تبديلي که به عنوان حد واسط دو جريان فوق مي باشد.
در زمينه استهلاک انرژي روي سرريزهاي پلکاني محققان تحقيقات گوناگوني انجام داده اند.
رژيم ريزشي :چانسون (b١٩٩٤) رابطه استهلاک انرژي براي سرريز آزاد پلکاني را در رژيم ريزشي با پرش هيدروليکي به صورت زير ارائه کرد [١]:
که در آن HD=ارتفاع سد، hc=عمق بحراني ، =انرژي مستهلک شده در طول شوت hs=ارتفاع پله وHmax=انرژي کل بوده که برابربا ميباشد.
چمني و راجاراتنام (١٩٩٤) رابطه استهلاک انرژي کلي را براي تمامي انواع جريانهاي ريزشي به صورت زيرارائه کردند [٣]:
که درآن N =تعداد پله هاو =ضريب افت انرژي روي هر پله ميباشد. آنها با تطابق با نتايج آزمايشگاهي(اسري و هورنر(١٩٧٨)) ضريب افت انرژي را به صورت زير ارائه کردند.
که در آن ls=طول کف پله ميباشد.
رژيم رويه اي: چانسون رابطه استهلاک انرژي براي رژيم رويه اي در سرريز آزاد را به صورت زير ارائه کرد[١].
که f توسط رابطه زير بدست مي آيد.
(٥)براي مدلهاي شوت ملايم
که در آن DH=عمق هيدروليکي جريان است .
روش ديگر، محاسبه انرژي باقيمانده در پنجه يا انتهاي شوت است . چانسون در اين مورد روش زير را ارائه کرده است [١].
که Hres انرژي موجود در انتهاي شوت بوده و y عمق آب تميز است که توسط رابطه زير بدست ميآيد.
وf نيز توسط رابطه (٥)بدست مي آيد.
چمني و راجاراتنام بر اساس عمق مخلوط (هوا –آب )رابطه زير را پيشنهاد دادند: [٤]
که در آن ym=عمق مخلوط ، um=سرعت جريان مخلوط و z =ارتفاع از خط مبنا است .
استهلاک انرژي
مشخصات مدل مورد استفاده
اين تحقيق در شرکت فن آوري و محيط زيست انجام شد. فلوم مورد استفاده داراي اسکلت فلزي و ديواره هايي از جنس پلکسي گلاس بوده که ضخامت ديواره ها ١٠ ميليمتر است .سرريز داراي ٢٣ پله با ارتفاع ، طول و عرض به ترتيب ٣، ١٧و ٥٥ سانتيمترميباشد. ارتفاع تاج سرريز از کف پله اول نيز ٣ سانتيمتر مي باشد.
آزمايشات براي ٢ دبي ٣.٦ ليتر بر ثانيه (جريان ريزشي ) و٢٥ ليتر بر ثانيه (رژيم رويه اي )انجام شده است . اين آزمايشات شامل اندازه گيري فشار استاتيکي وارد بر کف ، نوسان هاي فشار استاتيکي، سرعت و عمق جريان ميباشد.
فشار استاتيکي توسط پيزومتر اندازه گيريميشود. پيزومتر فشار وارد بر کف پله توسط سيال را به صورت ارتفاع معادل از مايع نشان ميدهد. پيزومتر از طريق شلنگ به يک تابلو متصل شده و ارتفاع معادل فشار بر روي تابلو خوانده ميشود. بدنه پيزومتر معمولا از برنج يا پلکسي گلاس ساخته ميشودو بايد طوري در کف نصب گردد که هيچ گونه برجستگي و يا فرورفتگي در کف به وجود نيايد.
در نقاطي از سازه که جريان با تلاطم و آشفتگي شديد همراه بوده و نوسان هاي فشار نسبت به زمان زياد ميباشد فشار به صورت لحظه اي بايد ثبت گردد.براي اندازه گيري، شلنگ هاي پيزومتر به گيرنده هاي حساس به تغيير فشار متصل و توسط سيم هاي رابط به دستگاه مبدل و از آنجا به سيستم کامپيوتري و نرم افزار پردازش اطلاعات (codas) مرتبط مي گردند.
براي اندازه گيري سرعت از لوله پيتو استفاده ميکنيم . پيتو لوله اي L شکل مي باشد که در نوک ضلع افقي آن يک روزنه و در اطراف همان ضلع تعدادي روزنه ريزتر بر روي بدنه ايجاد شده است . اين منافذ توسط دو شلنگ بر روي تابلوي قرائت فشار برده ميشوندو از اختلاف سطح آب (اختلاف فشار) ايجاد شده در دو شلنگ ميتوان سرعت جريان را به دست آورد.
تراز سطح آب در مخزن نيز توسط اشل ميله اي اندازه گيريميشود.دبي جريان توسط سرريز مستطيلي در پايين دست شوت در کانال انتقال آب اندازه گيري شده و براي اطمينان ، جريان عبوري از سرريز محاسبه و باآن مقايسه ميشود. مشخصات لبه هاي جاگذاري شده در جدول (١)و شکل (١)نمايش داده شده است .
رژيم جريان ريزشي:
در ابتدا آزمايشات براي پله هاي معمولي و بدون لبه انجام شده و با اعداد بدست آمده از روابط چانسون ، چمني و راجاراتنام مقايسه ميشود.
(عدد بدست آمده از آزمايش )
(عدد بدست آمده از رابطه چانسون )
(عدد بدست آمده از رابطه چمني و راجاراتنام )
اين نتايج نشان ميدهد که عدد بدست آمده از آزمايش با اعداد روابط ذکر شده همخواني داشته و بسيار به آنها نزديک است . اکنون آزمايش ها براي پله هاي لبه دار انجام ميشود، به اين صورت که استهلاک انرژي جريان به ازاي هر لبه جاگذاري شده در انتهاي پله ها محاسبه ميشود. آنچه از نتايج بدست ميآيد اين که تفاوت ميزان انرژي در هر پله نسبت به پله ديگر همان ترم انرژي پتانسيل (z) ميباشد که اين اختلاف براي دو پله متوالي به اندازه ارتفاع پله (hs) ميباشد. به اين ترتيب در صورتي که خط مبنا را پنجه شوت در نظر بگيريم ترم انرژي پتانسيل در اين مکان صفر ميباشد.با محاسبه استهلاک انرژي به ازاي لبه هاي مختلف اين نتيجه به دست ميآيد که ارتفاع ، عرض و شيب لبه ها در ميزان انرژي مستهلک شده تاثيرگذار هستندو تغييرات آنها استهلاک انرژي را تغيير ميدهد. در جدول (٢) ميزان استهلاک انرژي به ازاي لبه هاي مختلف نشان داده شده است . با توجه به اينکه روابط چانسون ، چمني و راجاراتنام براي پله هاي معمولي بوده و اثر لبه در آنها ديده نشده است ، پس نياز به رابطه ايميباشد که در آن استهلاک انرژي حاصل از لبه نيز قابل محاسبه باشد. با توجه به اينکه در رابطه چمني و راجاراتنام ضريب افت انرژي به طور مشخص به کار رفته ، پس اين رابطه به عنوان مرجع انتخاب و اثرات عرض ، بلندي و شکل لبه در رابطه ضريب افت انرژي وارد ميشود.
آنچه مشخص است اين که ارتفاع سقوط جت يا همان ارتفاع پله تغيير نکرده است ، در واقع جت بجاي کف پله به استخر آب تشکيل شده برخورد ميکند. همچنين طول پله نيز تغييري نکرده است . به اين جهت يکي از عوامل استهلاک انرژي برخورد جت با استخر آب و عامل ديگر برخورد آب با عرض لبه است .به اين ترتيب با ثابت بودن hs,ls بايد عبارتي که حاصل اثرات لبه بر استهلاک انرژي جريان ميباشد را به رابطه وارد کرد.با توجه به نتايج آزمايشگاهي و مقايسه آنها با يکديگر رابطه اي بدست ميآيد که در آن اثرات لبه هم ديده شود به اين صورت درصد استهلاک انرژي روي سرريزهاي پلکاني لبه دار نيز همچون پله هاي معمولي قابل دستيابي است .
رابطه اضافه شده به ضريب افت انرژي که شامل اثرات لبه ميشود به صورت زير است :
که در آن x =عرض لبه ، s =ارتفاع لبه و =زاويه بالادست لبه میباشد .
c از دو قسمت تشکيل شده است .١-اثر لبه قائم ٢- ضريب کاهنده براي زواياي مختلف
با توجه به اينکه کاهش زاويه بالادست لبه موجب کاهش استهلاک انرژي جريان ميشود اين ضريب به صورت کاهنده بکار ميرود. به اين ترتيب رابطه چمني و راجاراتنام راميتوان به صورت زير براي پله هاي مجهزبه آستانه به کار برد.
شکل -٢:رژيم جريان ريزشي روي پله هاي لبه دار
رژيم جريان رويه اي :
با توجه به آنکه در آزمايش امکان محاسبه ضريب اصطکاک (f) در ابتدا وجود ندارد بايد از رابطه عمق مخلوط استفاده کرد. در ابتدا آزمايش براي پله هاي معمولي انجام ميشود و با رابطه چانسون مقايسه ميشود.
(عدد بدست آمده از رابطه چانسون )
(عدد بدست آمده ازآزمايش )
علت اختلاف بين دو عدد آن است که داده هاي آزمايشگاهي بر اساس رابطه عمق مخلوط بدست آمده و رابطه چانسون عمق آب تميز را شامل ميشود. پس از آن آزمايش ها براي انواع لبه ها انجام ميشود. نتايج بدست آمده نشان مي دهد که در رژيم جريان رويه اي لبه ها تاثير ناچيزي بر ميزان استهلاک انرژي جريان دارندو اين تاثير به خاطر بلندي لبه هاميباشدو عرض و شکل لبه ها تاثيري بر ميزان انرژي مستهلک شده ندارد. با توجه به آنکه اين نتايج نشان ازمؤثر بودن بلندي لبه در ميزان استهلاک انرژي جريان دارد بايد به نوعي اثرات لبه را هم در رابطه f وارد کرد.با بررسي نتايج آزمايش هاو مشخص شدن ميزان اثرات لبه ها، عبارت زير براي پوشش اين اثر پيشنهاد ميشود:
در اينصورت رابطه f به صورت زير تکميل ميشود:
