بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي و مقايسه ضريب دبي سرريزهاي استوانه اي و نيم استوانه اي با مشابه لبه تيز و لبه پهن آن
خلاصه
ضريب دبي سرريزهاي استوانه اي، نيم استوانه اي (در دو حالت انحنا رو به بالادست و رو به پايين دست سرريز)، و همچنين مقايسه با نمونه هاي مشابه لبه پهن و لبه تيز از روي نتايج آزمايشگاهي در اين مقاله بررسي و با يکديگر مقايسه شده اند. چهار قطر (همچنين ارتفاع سرريزهاي لبه تيز و لبه پهن )
٤٠، ٦٠، ٧٠، ٨٥ ميلي متر در نظر گرفته شدند. نتايج نشان مي دهد که با افزايش پارامترهاي بدون بعد نسبت عمق آب بالادست به ارتفاع سرريز(HP) و نسبت هدآب روي سرريز به عمق آب بالادست (H H)، ضريب دبي براي تمام سرريزها افزايش مي يابد ولي نرخ تغييرات ضريب wدبي براي سرريز استوانه اي و نيم استوانه اي بيشتر از نرخ تغييرات ضريب دبي براي سريزهاي لبه تيز و لبه پهن مشابه است همچنين محقق شد در يک (HP) و (H H) ثابت ، ضريب دبي سرريز نيم استوانه اي رو به بالادست و نيم استوانه اي رو به پايين دست تقريباً برابر و به ترتيب بيشتراز wسرريز استوانه اي کامل ، لبه تيز و لبه پهن مي باشد.
کلمات کليدي: سرريز استوانه اي، سرريز نيم استوانه اي، سرريز لبه تيز، سرريز لبه پهن ، ضريب دبي .
.1 مقدمه
از قديمي ترين سازه هاي هيدروليکي ساخته دست بشر سريزها مي باشند که معمولاً به دو گروه لبه پهن و لبه تيز تقسيم مي شوند. سهولت و دقت اندازه- گيري دبي در شرايط مختلف جريان سبب طراحي آن به اشکال مختلف (مثلثي ، مستطيلي ، استوانه اي و .....) گرديده است . سرريزهاي استوانه اي يا لوله - اي را مي توان در گروه سرريزهاي لبه پهن قرار داد که به سبب سهولت ساخت ، سادگي طراحي ، هزينه ساخت کمتر، سهولت عبور اجسام شناور از روي آن و مناسب بودن ضريب دبي مورد توجه بوده است [١].
سارگينسون (١٩٧٢) با مطالعات خود به اين نتيجه رسيد که ضريب دبي جريان Cd تابعي از ارتفاع آب روي سرريز به شعاع سرريز (Hw R) مي باشد و با افزايش (H w R)،Cd افزايش مي يابد [٢]. اسکاند و سانانز (١٩۵٩) در بررسي آزمايشگاهي عوامل مؤثر در ضريب دبي نتيجه گرفتند که ، ضخامت تيغه آب روي سرريز استوانه اي در ضريب دبي تأثير دارد [٣]. کاسيدي (١٩۶۵) عوامل مؤثر روي ضريب دبي ، توزيع فشار
و پروفيل جريان روي سرريزهاي ريزشي ، با فرض غير چرخشي بودن جريان را بررسي کرده و براي سرريز لوله اي مشاهده کرد که با يک نسبت از H D (هد آب روي سرريز به قطر سرريز)، جداشدگي تيغه جريان در پايين دست اين سرريزها کمتر و در نتيجه فشار منفي ايجاد شده (مکش ) بيشتر از ساير انواع سريزهاي ريزشي مي باشد که اين امرسبب افزايش Cd مي شود [٤]. بوس ٥ (١٩٧٦) معادله دبي - اشل در سرريزهاي تاج دايرهاي را با عنايت به اين نکته که معادله مزبور در سرريزهاي لوله اي از معادله مربوط به سرريزهاي با آستانه پهن پيروي مي کند، بدست آورده است . او اختلاف اساسي بين سرريزهاي تاج دايرهاي و سرريزهاي لبه پهن را ناشي از انحناي خطوط جريان روي آستانه آنها دانست و معتقد بود که از انحناي خطوط جريان در سرريزهاي تاجدايرهاي، نمي توان صرف نظر کرد [٥].
رامامورتي (١٩٩٣) تأثير کشش سطحي ، گرانروي و شعاع انحناي خطوط جريان را روي ضريب دبي سرريزهاي استوانه اي مورد مطالعه قرار داد و يک تئوري ساده در مورد آن ها ارائه داد [۶].
چانسون و مونتس (١٩٩٨) جريان در سرريزهاي استوانه اي روي پايه را بصورت آزمايشگاهي بررسي و ثابت کردند که ضريب دبي در سرريزهاي استوانه اي عموماً بزرگتر از سرريزهاي لبه پهن مستطيلي است . همچنين به اين نتيجه رسيدند که شيب بالادست پايه تأثيري در ضريب دبي ندارد ولي جريان کاملاً توسعه نيافته در بالادست ، جريان کامل توسعه يافته در بالادست ، ايجاد پرش هيدروليکي در بالادست و ايجاد پرش هيدروليکي مستغرق در بالادست به شدت ضريب دبي را تحت تأثير قرار مي دهند [٧].
رفيعي و همکاران (١٣٨٢) حد استغراق در سرريزهاي استوانه اي بدون پايه را مطالعه کردند و نتيجه گرفتند حد استغراق در سرريزهاي استوانه اي با افزايش ميزان دبي کاهش و با افزايش قطر سرريز افزايش مي يابد و همچنين ضريب دبي با افزايش دبي ، افزايش يافته و با افزايش قطر سرريز کاهش مي يابد [٨]. بيگي پور و بينا (١٣٨۴) هيدروليک جريان در سرريزهاي تاج دايرهاي و استوانه اي را در ٧۵ مدل مختلف مورد بررسي قرار دادند.
آنها به اين نتيجه رسيدند که ضريب دبي در اين سرريزها، با افزايش عمق آب بالادست ، افزايش مي يابد [٩]. فرساديزاده و همکاران (١٣٨٧) اثر بار هيدروليکي روي سرريزهاي استوانه هاي را در ضريب جريان، با استفاده از مدل عددي FLUENT بررسي نموده و به اين نتيجه رسيدند که با افزايش نسبت بار هيدروليکي کل در بالادست به قطر سرريز H D ، ضريب دبي جريان Cd افزايش مي يابد [١٠]. قرهگزلو و مسعوديان (١٣٩٠) تأثير قطر بر ضريب دبي سرريز استوانه اي را بررسي نمودند و نتيجه گرفتند قطر سرريز روي ضريب دبي مؤثر است [١]. خلفي (١٣٨٨) به بررسي اثر شعاع آستانه ورودي بر ضريب دبي در سرريزهاي لبه پهن گرد پرداخت . نتايج بدست آمده از اين مطالعه که بر روي ۵ مدل با ۵ شعاع مختلف آستانه و عبور ۶ دبي براي هر مدل صورت گرفت ، نشان داد که ابعاد هندسي آستانه ورودي تأثير بسزايي بر ضريب دبي عبوري جريان دارد [١١]. هوبرت چانسون (٢٠٠٩) به بررسي اثر گردشدگي لبه ي سرريز بر توزيع فشار و ضريب دبي آن پرداخت و نشان داد که گردشدگي لبه ي سرريز ثأثير قابل مشاهدهاي روي الگوي جريان و ضريب دبي خواهد داشت [١٢].
در اين مقاله به بررسي پارامترهاي هيدروليکي و هندسي تأثيرگذار بر ضريب دبي سرريزهاي استوانه اي، نيم استوانه اي (در دو حالت نيم استوانه رو به بالادست و رو به پايين دست سرريز)، و همچنين نمونه هاي مشابه لبه پهن و لبه تيز پرداخته شده و نتايج با يکديگر مقايسه شدهاند.
٢. تئوري جريان در سرريزهاي استوانه اي و مشابه لبه تيز و لبه پهن
بوس (١٩٧٦) در مطالعه اي که در مورد سرريزهاي لوله اي انجام داد به اين نتيجه رسيد که فرمول دبي در سرريزهاي لوله اي مطابق رابطه زير مي باشد [٥].
نيز معادله دبي سرريز لبه تيز و لبه پهن به صورت زير مي باشد [١٣].
براساس خصوصيات هندسي ، سينماتيکي و ديناميکي جريان عوامل مؤثر در دبي عبوري را طبق رابطه (٣) مي توان نوشت ، و با استفاده ازآناليز ابعادي گروههاي بدون بعد را بدست آورد (رابطه ٤).
پارامترهاي ذکر شده عبارتند از:
عمق آب بالادست H ، هد آب روي سرريز Hw ، عرض کانال B ، لزجت ديناميکي سيال ، شتاب ثقل g ، شيب کانال S ، دبي عبوري Q، ارتفاع سازه p ، جرم مخصوص سيال ،ضريب فشردگي ، کشش سطحي .
با صرفنظر از مقادير ضريب فشردگي ، شتاب ثقل g، شيب کانال S و عرض کانال B به دلايل ، عدم وجود فشردگي ، ناچيز بودن شتاب ثقل و ثابت بودن مقادير S و B رابطه فوق را مي توان به صورت زير خلاصه نمود:
بنابراین:
در اين تحقيق به بررسي پارامترهاي بدون بعد (H H) و (H p) روي ضريب دبي پرداخته شده است .
٣. مواد و روش ها
آزمايشات روي سرريز استوانه اي، نيم استوانه اي با انحنا در بالادست و ديواره قائم در پايين دست و نيم استوانه اي با انحنا در پايين دست و ديواره قائم در بالادست و مشابه لبه تيز و لبه پهن آنها در کانالي مستطيلي و افقي به طول ٥ متر و عرض ٧٥ ميلي متر انجام شد. دبي ورودي توسط يک سرريز مثلثي ٩٠ درجه که قبلاً کاليبره شده اندازه گيري گرديد. شکل (١) تصوير فلوم را نشان مي دهد.
شکل ١ - پروفيل فلوم آزمايشگاهي مورد استفاده
در اين تحقيق از لوله هاي PVC به عنوان سرريز استوانه اي و از صفحات پلاکسي گلاس به عنوان سرريز لبه تيز و لبه پهن استفاده شد. آزمايشات براي ٤ قطر (ارتفاع صفحات پلاکسي گلاس ) ٤٠، ٦٠، ٧٠ و ٨٥ ميلي متر و ترکيبات مختلف دبي و عمق جريان بالادست ، براي جريان آزاد انجام شده است . لازم به ذکر است که در اين آزمايشات جريان به صورت زير بحراني بوده است . شکل (٢) تا (٦) مقطع کانال و سرريز– دريچه استوانه اي و نيم - استوانه اي و مشابه لبه تيز و لبه پهن آنها را نشان مي دهد.
