مقاله بررسی استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی لبه دار

word قابل ویرایش
10 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

 ** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست **

بررسی استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی لبه دار
چکیده
مستهلک کردن انرژی حاصل از جریان سرریز یکی از مهمترین موضوعات مطرح شده در سازه های هیدرولیکی میباشد. در دهه های اخیر سرریزهای پلکانی نقش مهمی در این مورد داشته اند. پله ها در این نوع سرریزها باعث استهلاک انرژی جریان می شوند.مسئله مورد اهمیت ، افزایش اثر این پله ها در میزان استهلاک انرژی جریان است .هدف از تحقیق پیش رو، بررسی و تجزیه و تحلیل استهلاک انرژی جریان روی سرریز پلکانی لبه دار می باشد.این تحقیق بر پایه کار آزمایشگاهی بر روی مدل یک سرریز پله ای نگارش شده است . روش کار به این صورت است که در ابتدا لبه هایی با ابعاد مختلف از نظر ارتفاع ، عرض و شیب بالادست لبه ، طراحی و ساخته میشود. سپس این لبه ها در انتهای پله ها تعبیه و جاگذاری شده و استهلاک انرژی جریان در رژیم های ریزشی و رویه ای بر روی این پله های لبه دار محاسبه میشود. متفاوت بودن ارتفاع ، عرض و شیب لبه ها باعث میشود که اثرات هرکدام از این پارامترها در میزان انرژی مستهلک شده مشخص گردد. نتایج نشان میدهد که در رژیم ریزشی ارتفاع ، عرض و شیب بالادست لبه بر میزان استهلاک انرژی جریان تاثیرگذار میباشند اما در رژیم رویه ای تنها ارتفاع لبه هابه میزان ناچیزی در میزان استهلاک انرژی موثر بوده و عرض و شیب لبه در میزان انرژی مستهلک شده تأثیری ندارند.با بررسی این نتایج و مقایسه و تحلیل آنها با یکدیگر روابطی پیشنهاد می شود که بتوان میزان درصد استهلاک انرژی جریان روی سرریزهای پلکانی لبه دار را از طریق این روابط برای هر دو رژیم ریزشی و رویه ای بدست آورد.
واژه های کلیدی :سرریز پلکانی، رژیم جریان ریزشی، رژیم جریان رویه ای، استهلاک انرژی، لبه ، پله لبه دار

مقدمه
تاریخچه : شوت هاو سرریزهای پلکانی دارای سابقه ای طولانی معادل با ٣۵٠٠ سال هستند.سرریزهاو کانال های پله ای در زمان های گذشته به منظور کاهش سرعت جریان به کارمیرفتند [١]. در دهه های اخیر با توجه به پیدایش تکنیک RCC در ساخت سدها مجددا تمایل به سمت ساخت شوت های پله ای بیشتر شد.
اکنون سدهای RCC را به گونه ایمیسازند که بدنه پایین دست آنها پله ای بوده تا بدین وسیله در صورت گذر سیل از روی سد پله ها انرژی سیل را تا حد بسیار زیادی مستهلک کنند. کاهش ابعاد حوضچه آرامش در انتهای شوت سرریز نیز از دیگر مزایای استفاده از سرریزهای پلکانی میباشد.
اکثر محققان الگوی جریان در سرریزهای پلکانی را به شرح زیربیان داشته اند.
١-جریان ریزشی با شدت جریان کم
٢-جریان رویه ای با شدت جریان زیاد
٣-جریان تبدیلی که به عنوان حد واسط دو جریان فوق می باشد.
در زمینه استهلاک انرژی روی سرریزهای پلکانی محققان تحقیقات گوناگونی انجام داده اند.
رژیم ریزشی :چانسون (b١٩٩۴) رابطه استهلاک انرژی برای سرریز آزاد پلکانی را در رژیم ریزشی با پرش هیدرولیکی به صورت زیر ارائه کرد [١]:

که در آن HD=ارتفاع سد، hc=عمق بحرانی ، =انرژی مستهلک شده در طول شوت hs=ارتفاع پله وHmax=انرژی کل بوده که برابربا میباشد.
چمنی و راجاراتنام (١٩٩۴) رابطه استهلاک انرژی کلی را برای تمامی انواع جریانهای ریزشی به صورت زیرارائه کردند [٣]:

که درآن N =تعداد پله هاو =ضریب افت انرژی روی هر پله میباشد. آنها با تطابق با نتایج آزمایشگاهی(اسری و هورنر(١٩٧٨)) ضریب افت انرژی را به صورت زیر ارائه کردند.

که در آن ls=طول کف پله میباشد.
رژیم رویه ای: چانسون رابطه استهلاک انرژی برای رژیم رویه ای در سرریز آزاد را به صورت زیر ارائه کرد[١].

که f توسط رابطه زیر بدست می آید.
(۵)برای مدلهای شوت ملایم

که در آن DH=عمق هیدرولیکی جریان است .
روش دیگر، محاسبه انرژی باقیمانده در پنجه یا انتهای شوت است . چانسون در این مورد روش زیر را ارائه کرده است [١].

که Hres انرژی موجود در انتهای شوت بوده و y عمق آب تمیز است که توسط رابطه زیر بدست میآید.

وf نیز توسط رابطه (۵)بدست می آید.
چمنی و راجاراتنام بر اساس عمق مخلوط (هوا –آب )رابطه زیر را پیشنهاد دادند: [۴]

که در آن ym=عمق مخلوط ، um=سرعت جریان مخلوط و z =ارتفاع از خط مبنا است .
استهلاک انرژی
مشخصات مدل مورد استفاده
این تحقیق در شرکت فن آوری و محیط زیست انجام شد. فلوم مورد استفاده دارای اسکلت فلزی و دیواره هایی از جنس پلکسی گلاس بوده که ضخامت دیواره ها ١٠ میلیمتر است .سرریز دارای ٢٣ پله با ارتفاع ، طول و عرض به ترتیب ٣، ١٧و ۵۵ سانتیمترمیباشد. ارتفاع تاج سرریز از کف پله اول نیز ٣ سانتیمتر می باشد.
آزمایشات برای ٢ دبی ٣.۶ لیتر بر ثانیه (جریان ریزشی ) و٢۵ لیتر بر ثانیه (رژیم رویه ای )انجام شده است . این آزمایشات شامل اندازه گیری فشار استاتیکی وارد بر کف ، نوسان های فشار استاتیکی، سرعت و عمق جریان میباشد.
فشار استاتیکی توسط پیزومتر اندازه گیریمیشود. پیزومتر فشار وارد بر کف پله توسط سیال را به صورت ارتفاع معادل از مایع نشان میدهد. پیزومتر از طریق شلنگ به یک تابلو متصل شده و ارتفاع معادل فشار بر روی تابلو خوانده میشود. بدنه پیزومتر معمولا از برنج یا پلکسی گلاس ساخته میشودو باید طوری در کف نصب گردد که هیچ گونه برجستگی و یا فرورفتگی در کف به وجود نیاید.
در نقاطی از سازه که جریان با تلاطم و آشفتگی شدید همراه بوده و نوسان های فشار نسبت به زمان زیاد میباشد فشار به صورت لحظه ای باید ثبت گردد.برای اندازه گیری، شلنگ های پیزومتر به گیرنده های حساس به تغییر فشار متصل و توسط سیم های رابط به دستگاه مبدل و از آنجا به سیستم کامپیوتری و نرم افزار پردازش اطلاعات (codas) مرتبط می گردند.
برای اندازه گیری سرعت از لوله پیتو استفاده میکنیم . پیتو لوله ای L شکل می باشد که در نوک ضلع افقی آن یک روزنه و در اطراف همان ضلع تعدادی روزنه ریزتر بر روی بدنه ایجاد شده است . این منافذ توسط دو شلنگ بر روی تابلوی قرائت فشار برده میشوندو از اختلاف سطح آب (اختلاف فشار) ایجاد شده در دو شلنگ میتوان سرعت جریان را به دست آورد.
تراز سطح آب در مخزن نیز توسط اشل میله ای اندازه گیریمیشود.دبی جریان توسط سرریز مستطیلی در پایین دست شوت در کانال انتقال آب اندازه گیری شده و برای اطمینان ، جریان عبوری از سرریز محاسبه و باآن مقایسه میشود. مشخصات لبه های جاگذاری شده در جدول (١)و شکل (١)نمایش داده شده است .
رژیم جریان ریزشی:
در ابتدا آزمایشات برای پله های معمولی و بدون لبه انجام شده و با اعداد بدست آمده از روابط چانسون ، چمنی و راجاراتنام مقایسه میشود.
(عدد بدست آمده از آزمایش )

(عدد بدست آمده از رابطه چانسون )

(عدد بدست آمده از رابطه چمنی و راجاراتنام )

این نتایج نشان میدهد که عدد بدست آمده از آزمایش با اعداد روابط ذکر شده همخوانی داشته و بسیار به آنها نزدیک است . اکنون آزمایش ها برای پله های لبه دار انجام میشود، به این صورت که استهلاک انرژی جریان به ازای هر لبه جاگذاری شده در انتهای پله ها محاسبه میشود. آنچه از نتایج بدست میآید این که تفاوت میزان انرژی در هر پله نسبت به پله دیگر همان ترم انرژی پتانسیل (z) میباشد که این اختلاف برای دو پله متوالی به اندازه ارتفاع پله (hs) میباشد. به این ترتیب در صورتی که خط مبنا را پنجه شوت در نظر بگیریم ترم انرژی پتانسیل در این مکان صفر میباشد.با محاسبه استهلاک انرژی به ازای لبه های مختلف این نتیجه به دست میآید که ارتفاع ، عرض و شیب لبه ها در میزان انرژی مستهلک شده تاثیرگذار هستندو تغییرات آنها استهلاک انرژی را تغییر میدهد. در جدول (٢) میزان استهلاک انرژی به ازای لبه های مختلف نشان داده شده است . با توجه به اینکه روابط چانسون ، چمنی و راجاراتنام برای پله های معمولی بوده و اثر لبه در آنها دیده نشده است ، پس نیاز به رابطه ایمیباشد که در آن استهلاک انرژی حاصل از لبه نیز قابل محاسبه باشد. با توجه به اینکه در رابطه چمنی و راجاراتنام ضریب افت انرژی به طور مشخص به کار رفته ، پس این رابطه به عنوان مرجع انتخاب و اثرات عرض ، بلندی و شکل لبه در رابطه ضریب افت انرژی وارد میشود.
آنچه مشخص است این که ارتفاع سقوط جت یا همان ارتفاع پله تغییر نکرده است ، در واقع جت بجای کف پله به استخر آب تشکیل شده برخورد میکند. همچنین طول پله نیز تغییری نکرده است . به این جهت یکی از عوامل استهلاک انرژی برخورد جت با استخر آب و عامل دیگر برخورد آب با عرض لبه است .به این ترتیب با ثابت بودن hs,ls باید عبارتی که حاصل اثرات لبه بر استهلاک انرژی جریان میباشد را به رابطه وارد کرد.با توجه به نتایج آزمایشگاهی و مقایسه آنها با یکدیگر رابطه ای بدست میآید که در آن اثرات لبه هم دیده شود به این صورت درصد استهلاک انرژی روی سرریزهای پلکانی لبه دار نیز همچون پله های معمولی قابل دستیابی است .
رابطه اضافه شده به ضریب افت انرژی که شامل اثرات لبه میشود به صورت زیر است :

که در آن x =عرض لبه ، s =ارتفاع لبه و =زاویه بالادست لبه میباشد .
c از دو قسمت تشکیل شده است .١-اثر لبه قائم ٢- ضریب کاهنده برای زوایای مختلف
با توجه به اینکه کاهش زاویه بالادست لبه موجب کاهش استهلاک انرژی جریان میشود این ضریب به صورت کاهنده بکار میرود. به این ترتیب رابطه چمنی و راجاراتنام رامیتوان به صورت زیر برای پله های مجهزبه آستانه به کار برد.

شکل -٢:رژیم جریان ریزشی روی پله های لبه دار
رژیم جریان رویه ای :
با توجه به آنکه در آزمایش امکان محاسبه ضریب اصطکاک (f) در ابتدا وجود ندارد باید از رابطه عمق مخلوط استفاده کرد. در ابتدا آزمایش برای پله های معمولی انجام میشود و با رابطه چانسون مقایسه میشود.
(عدد بدست آمده از رابطه چانسون )

(عدد بدست آمده ازآزمایش )

علت اختلاف بین دو عدد آن است که داده های آزمایشگاهی بر اساس رابطه عمق مخلوط بدست آمده و رابطه چانسون عمق آب تمیز را شامل میشود. پس از آن آزمایش ها برای انواع لبه ها انجام میشود. نتایج بدست آمده نشان می دهد که در رژیم جریان رویه ای لبه ها تاثیر ناچیزی بر میزان استهلاک انرژی جریان دارندو این تاثیر به خاطر بلندی لبه هامیباشدو عرض و شکل لبه ها تاثیری بر میزان انرژی مستهلک شده ندارد. با توجه به آنکه این نتایج نشان ازمؤثر بودن بلندی لبه در میزان استهلاک انرژی جریان دارد باید به نوعی اثرات لبه را هم در رابطه f وارد کرد.با بررسی نتایج آزمایش هاو مشخص شدن میزان اثرات لبه ها، عبارت زیر برای پوشش این اثر پیشنهاد میشود:

در اینصورت رابطه f به صورت زیر تکمیل میشود:

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 10 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد