بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی آزمایشگاهی الگوی رسوب در تقاطع کانالها
چکیده
اتصال کانالها، پدیدهای است که در رودخانه ها و کانالهای آبیاری و زهکشی رخ میدهد. این پدیده در رودخانهها بخصوص در محل اتصال دو شاخه از کانال پیچیده تر بوده بطوری که باعث فرسایش و رسوبگذاری در بعضی نقاط رودخانه میشود که بخشی از تغییرات مورفولوﮊیکی رودخانه شناخته میشود. علیرغم اینکه در مورد الگوی جریان در اتصالات کانالهای باز تحقیقات نسبتاﹰ زیادی انجام گرفته ولی در مورد مسئله فرسایش و الگوی رسوب کار تحقیقاتی زیادی صورت نگرفته است. لذا، در این تحقیق با استفاده از مدل آزمایشگاهی بررسی رسوب و فرسایش در جریان زیر بحرانی انجام گرفته است. اتصال کانال مورد نظر ٩٠ درجه و با سه اندازه دانه رسوب غیرچسبنده است. از جمله متغیرهای دیگر، نسبت دبی درکانال اصلی و شاخههای فرعی و سه نسبت عرض کانال شاخه فرعی به اصلی میباشد. نهایتاﹰ، نتایج آزمایشها بصورت منحنیهایی تنظیم و ارائه گردیده است.
کلید واﮊه ها: اتصال کانالها، فرسایش، رسوبگذاری، مدل آزمایشگاهی، جریان زیربحرانی.
١- مقدمه
یکی از پدیده های پیچیدهای که همواره در تحقیقات مربوط به کانالهای باز مورد توجه بوده است، حرکت مواد رسوبی به همراه جریان آب و مسئله تهنشینی یا فرسایش کانال میباشد. این پدیده در محدوده اتصال کانالها پیچیدهتر است. بطوریکه رفتار جریان به متغیرهایی چون نسبت دبیها، عرض شاخهها، زاویه اتصال دو شاخه از کانال، تغییرات تراز کف در محل اتصال، خصوصیات جریان در بالادست محل اتصال هر یک از شاخهها و عدد فرود جریان بستگی پیدا می کند. شواهد بسیاری وجـود دارد که نشان میدهد حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آستانه حرکت ذره یعنی مرز بین شرایط آب زلال و آب حـاوی رسوب اتفاق میافـتد. تحت شـرایط آب زلال، عـمق آبشـستگی با افزایش سرعـت جریان افزایش مییابد و حداکثر عمق آبشستگی در شرایط آب زلال و در آستانه حرکت ذره رسوبی اتفاق میافتد]١، ۲.[ پفیتیس١ در سال ٢٠٠٠، حرکت مواد رسوبی را تحت جریانهای یکبعدی با استفاده از منحنیهای آستانه حرکت تجربی بررسی کرد. با استفاده از این منحنی ها میتوان آستانه حرکت مواد رسوبی را پیشبینی کرد. برای تعریف وضعیتهای آستانه حرکت، نظریههای استوکستیک قطعی که تحت آن ذرات رسوبی بتـوانند جابجا شوند وجود ندارد. اما، دامنه جوابهای آستانه حـرکت همواره وجود
دارد]٣.[ میسون١ و آروموگام٢ درسال ١٩٨٥ بررسیهای زیادی روی روابط مختلف حاصل از آشفتگی در ٤٧ مدل آزمایشگاهی انجام دادند. بر طبق تحلیل اطلاعات و مشخصات حاصل از آزمایشها، ایشان عامل
d50 را مناسبتر از d90 و d85 جهت بررسی پدیده رسوب توسط آب تشخیص دادند]٤.[ سیلویا٣ و
جراردو٤ در سال ١٩٩٩، در محل اتصال کانالهای جزر و مدی یکی از ویژگیهای بارز این ناحیه که حفره آبکند٥ میباشد، را بررسی کردند. این مطالعه به منظور شناخت مبدأ (خاستگاه) و الگوی رشد تدریجی حفره ایجاد شده در خور باهابلانکا٦ واقع درآرﮊانتین انجام گرفت.آزمایشها بر روی دو حفره آبکند بزرگ واقع در این خور انجام گرفت. طبق مشاهدات ایشان، تعیین مقدار خالص رسوب حملشده و رشد تدریجی حفره های ایجاد شـده به دامنه فعال سیـلاب و دامنه جزری بستـگی دارد. همچنین مشاهده کردند که حفرهها در نمونههای انتخابی همانند حفـرههای ایجادشده در رودخـانهها به طـرف بالادست حـرکت میکنند]٥.[ در این مقاله، با استفاده از مدل آزمایشگاهی و با اتصال ٩٠ درجه، فرسایش مواد بستری توسط جریان برای شرایط مختلف هیدرولیکی در محل اتصال در جریان زیربحرانی بررسی و ارزیابی شد. همچنین، در این تحقیق، آزمایش ها در شرایط آب زلال و در آستانه حرکت ذره انجام شده است.
٢- تجهیزات آزمایشگاهی
برای بررسـی الگوی فرسایش در محـل اتصـال کانالها می بایسـت فلـوم آزمایشـگاهی انتـخاب شود که مشخصات ذیل را داشته باشد:
الف) به سهولت بتوان در محل اتصال کانال اصلی و شاخه فرعی، پدیده فرسایش را در لحظه آستانه حرکت ذرات مشاهده و اندازه گیری نمود.
ب) جریان قبل از رسیدن به محل اتصال کاملاﹰ آرام باشد.
با توجه به تمام شرایط، کانال اصلی فلوم دارای عرض ٢٠ سانتیمتر و طول ٢١٠ سانتیمتر، شاخه فرعی عرض ٢٠ سانتیمتر و طول ١١٠ سانتیمتـر است، شکل (١). مدل آزمایشگاهی مورد نظر در مرکـز تحقیقات آب وابسته به وزارت نیرو ساخته شده است. زاویه اتصال کانال اصلی و شاخه فرعی ٩٠ درجه و جنس کانـال اصـلی از پلـکسیگلاس و دیـواره کانـال شاخه فرعـی از چوب سـاخته شده است. مخزن
(١)که در شکل (١) نشان داده شده است، در بالادست کانال اصلی وجود دارد که بر روی آن یک سرریز مثلثی ٣/٥٨ درجه نصب شده است و برای اندازهگیری دبی کل بکار می رود. مخزن (٢) در بالادست کانال شاخه فرعی وجود دارد که بر روی آن سرریز مثلثی ٤٥ درجه برای اندازهگیری دبی
ورودی به شاخه فرعی بکار می رود. هدایت آب از مخزن (١) به مخزن (٢) از طریق یک لوله به قطر
١٠٠ میلیمتر صورت میگیرد.
شکل١ : مدل آزمایشگاهی مورد استفاده در انجام آزمایشات
٣- ویژگی های مصالح مصرفی
جهت بررسی پدیده آبشستگی موضعی در محل اتصال کانالها و هم چنین دستیابی به میزان عمق حداکثر آبشستگی لازم است کف فلوم تا یک عمق مشخصی، که در این پژوهش ١٠ سانتیمتر در نظر گرفته شده، از مصالح فرسایش پذیر پوشش داده شود. با توجه به اهمیت مدلسازی آزمایشگاهی رسوب در انتخاب نوع مصالح بستر بر اساس فرضیات بعمل آمده به نکات زیر دقت شده است:
الف) جهت حذف اثر غیریکنواختی مصالح در میزان آبشستگی، مصالح انتخابی بایستی یکنـواخت بـاشند که برای این منظور از پارامتر σg استفاده میشود که بصورت زیر تعریف می شود:
کـه برای مصالح یکنواخت بایـد σg 1.5 باشد]١.[ در ایـن مطـالعه نیز شرایـط ذکر شده بـرای مصالـح برقرار میباشد.
ب) بـا توجه بـه اینکه اثـر چسبندگی در مصالح بستر، پـدیـده آبشستـگی را بـسیار پیچیـده می سازد و در رودخانهها نیز اغلب مصالح بستر با چسبندگی تقریباﹰ صفر میباشند]٧[، لذا، در این پژوهش جهت حذف اثر این پارامتر در مطالعه آبشستگی، مصالح انتخابی از نوع غیر چسبنده انتخاب شده است.
ج) قطر متوسط ذرات به نوعی انتخاب گردیده تا در محدودههای عدد فرود جریان آزمایش ها، آبشستگی در محل اتصال کانال اصلی و شاخه فرعی صورت گیرد]٤، ٦.[ یکی از متغییرهای منظور شده در انجام مطالعه حاضر قطر متوسط مصالح بستر بـود. لـذا، با انتخاب یکسری الکـهای استاندارد، نهایتاﹰ سـه دانهبندی با قطر متوسط ذرات (٢٥/٠d1=،٥/٠d2=،٧٥/٠d3= میلیمتر) جهت انجام آزمایشهای آبشستگی با ملحوظ داشتن فرضیات بعمل آمده، انتخاب گردیدند. مصالح بستر در این پژوهش از جنس سفال خرد شده، که بعلت پختهشدن در کوره سفالپزی چسبندگی آنها بطور کامل از بین رفته است، انتخاب گردید.
٤- نحوه انجام آزمایشات
در مطالعات مربوط به آبشستگی، فرسایش و از جمله انجام آزمایشهای آبشستگی در محل اتصـال کانالها، شروع هر آزمایش حائز اهمیت میباشد. زیرا که برای رسیدن تا به یک حالت دائمی و یکنواخت مورد نظر آزمایش، جریان غیردائمی در شروع، مقداری آبشستگی کاذب ایجاد مینماید، که این آبشستگی مربوط به شرایط مورد نظر نیست. لذا، تنظیم جریان تحت شرایط آزمایش بدون اینکه آبشستگی اولیه رخ دهد، از اهمیت خاصی برخوردار است. برای این منظور، کف کانال اصلی از ابتدا تا انتها به اندازه H= 100 میلیمتر پایین آورده شد ، که از مصالح انتخابی پر میشود و توسط پاروی تسطیح مصالح کاملاﹰ تراز میگردد. در پایین دست محل اتصال (انتهای کانال اصلی)، یک دریچه تنظیم برای عبور آب قرار دارد. قبل از شروع آزمایش دریچه کاملاﹰ بسته است. با روشن کردن پمپ، جریان بسیار کمی وارد فلوم می شود بطوریکه فقط مصالح کف اشباع می گردد. در این حالت آبشستگی اولیه در اثر جریان غیردائمی در محل اتصال و اطراف آن ایجاد نگردیده و یا بسیار کم بوده که در این صورت ناحیه مزبور مجدداﹰ با مصالح بستر پر شده و تسطیح میگردید. با افزایش دبی ورودی به فلوم، عمق جریان در فلوم افزایش می یافت تا اینکه سطح آب در فلوم به بالاترین سطح خود می رسید. در این هنگام دریچه تنظیم بتدریج بالا آورده می شد تا اینکه ذرات در محل اتصال کانالها در آستانه حرکت قرار گیرند.
برای تعیین زمان هر آزمایش ابتدا در زمانهای مختلف تا ماکزیمم ۸۴ ساعت فرسایش اندازهگیری گردید، شکل (۲). این آزمایشها در دو نسبت دبی مختلف و برای هر سه اندازه رسوب انجام گرفته است. نتیجتاﹰ، با استفاده از نتایج بدست آمده، برای بقیه آزمایشها زمان ۳ ساعت بعنوان زمانی که بیش از ۰۹ درصد فرسایش اتفاق می افتد، انتخاب گردید. برای اندازهگیری میزان آبشستگی در نقاط مختلف از شبکه مدرج به اندازه ٥٠×٥٠ میلیمتر استفاده شد. عمق یا ارتفاع نقاط در داخل این شبکه بوسیله عمق سنج دیجیتالی اندازه گیری شد.
٥- نتایج
الف) مقایسه تأثیر نسبت دبی و قطر متوسط ذرات بر روی حداکثر عمق آبشستگی
در این پژوهش بـرای دو نسبت دبـی شاخـه فرعی به دبـی کل برابر با ٢٥/٠ ، ٥/٠ و بـرای سـه قطر رسوب، عـرض ثابت بـرای کانال اصلـی B= 200) میلیمتر) و سـه عـرض شاخه فـرعـی،
(١٠٠ b1=، ١٥٠ b2=، ٢٠٠ b3= میلیمتر) آزمایشها انجام گرفت که نتایج آن در زیر ارائه می گردد.
در شکل (٣) فاصله بدون بعد از محل تلاقی دو کانال (x/X) و عمق بدون بعد حداکثر (h/H) برای عرضهای مختلف و اندازه رسوب مختلف نشان داده شده است. همانطورکه در شکل مشاهده میشود، عمق حداکثر آبشستگی برای همه حالات در محل اتصال و یا نزدیکی کانال اصلی و شاخه فرعی صورت گرفته است، نتایج کامل در مرجع ]٩[ آمده است. بعبارتی درست در پایین دست محل اتصال دو کانال (نقطه صفر در شکل (١)) که ناحیه جدایی شروع میشود ]٥.[ در این ناحیه بعلت تشکیل گرداب چرخشی آبشستگی شدیدی رخ میدهد. همچنین جریان آب از شاخه فرعی پس از برخورد به دیواره کانال اصلی به دلیل ایجاد گرداب چرخشی باعث آبشستگی در کنار دیوار کانال اصلی می شود]١٠.[ در شکل(٣) مشخص است که بیشترین عمق آبشستگی در پایین دست نقطه صفر یعنی در ابتدای ناحیه جدایی اتفاق افتاده است. این گرداب چرخشی بدین صورت شکل می گیرد که جریان آب از شاخه فرعی وقتی به محل اتصال دو کانال می رسد جهت آن تقریباﹰ عمود بر جهت جریان اصلی بوده، پس از رسیدن به دهانه محل اتصال که یک نقطه جدایی برای این جریان محسوب میشود، جریان از دهانه محل اتصال جدا شده و متمایل به محور اصلی فلوم به سمت پایین دست محل اتصال منحرف میگردد. در نقطه جدایی جریان گرداب های چرخشی اولیه شکل میگیرد و درست در دهانه محل اتصال باعث آبشستگی شده و مصالح موجود در دهانه محل اتصال را کنده و به سمت پایین دست حرکت میدهد. در تمامی این آزمایشها، که در آن سرعت جریان با سرعت بحرانی برابر بوده، پس از گذشت مدت
