بخشی از مقاله
بررسی آزمایشگاهی تأثیر پله ها بر دبی عبوری از سرریز نیلوفری و میزان افت انرژی در مدخل خروجی آن در حالت کنترل تاج
خلاصه
اکثر مخازن ذخیرهی آب در نتیجهی احداث یک سد بوجود آمدهاند .برای عبور آبهای اضافی و سیلابها از سراب به پایاب سدها از سازهای به نام سرریز استفاده میشود. سرریزها یکی از سازههای مهم سدها میباشند. در بسیاری مواقع قرارگیری سرریز در امتداد یا عمود بر بدنه سد امکانپذیر نمیباشد و طراحان مجبور میشوند از سرریزی استفاده کنند که در مخزن قرار میگیرد. در این تحقیق با پلکانی نمودن سطح داخلی سرریز نیلوفری و ساخت سرریزهایی با قطرهای مختلف به بررسی آزمایشگاهی رفتار سرریز بر جریان عبوری از روی آن (میزان دبی عبوری و مقادیر تغییرات انرژی در مدخل خروجی) پرداخته شد. نتایجی که میتوان از انجام این تحقیق و تجزیه و تحلیل داده های آن به دست آورد به این ترتیب بوده که پلکانی کردن رویهی داخلی سرریز باعث افزایش ضریب تخلیه سرریز در حالت کنترل تاج شد و تغییرات افت انرژی در مدخل خروجی در این حالت با افزایش همراه است.
کلمات کلیدی: کنترلتاج، سرریز نیلوفری، پلکان، دبی عبوری، افت انرژی، مدخل خروجی.
1. مقدمه
سرریز نیلوفری یکی از انواع سرریزهای مورد استفاده در سدها به منظور تخلیه سیلابها از مخزن میباشد.یکی از مشکلات این نوع سریزها ماننـد دیگـر آبگیرهای قائم ایجاد گرداب در دهانهی آنهاست که منجر به افت سیستم آبگیری و تخلیه مخزن میگردد.
این سرریزها در جاهایی که امکان ساخت دیگر سرریزها وجود ندارد قابل ساخت میباشند. به طورکلی در سدهای خاکی سـعی مـیکنـیم کـه سرریز بر روی بدنه ساخته نشود بنابراین باید به دنبال منطقهای باشیم که بتوان سـرریز را احـداث کـرد، در ایـن شـرایط اسـتفاده از سـرریز نیلـوفری حـائز اهمیت میباشد، چرا که میتوان سرریز را در داخل دریاچه سد ساخت و سپس آن را از طریق تونل به پایین دست انتقال داد.در این نوع سـرریزها امکـان استفاده از سازههای کنترل وجود ندارد البته لازم به ذکر است که در داخل تونل میتوان سازه کنترل ساخت.[1]
شکل-1 مقطع سرریز نیلوفری
2. تاریخچهی موضوع
هگر (1975) گردابها را به شش نوع تقسیم مینماید.گرداب نوع اول: جریان چرخشی در سطح مایع وبدون هیچگونه فرورفتگی در سطح آن است.گرداب نوع دوم : جریان چرخشی در سطح مایع و بدون هیچ گونه فرورفتگی در سطح مایع است. گرداب نوع سوم: جریان چرخشی همراه با هسته متحرک و در حال نوسان به طرف آبگیر میباشد. گرداب نوع چهارم: گرداب باقدرت مکش ذرات شناور سبک است.گرداب نوع پنجم: گرداب با قدرت مکش حبابهای هوا به داخل آبگیر است.گرداب نوع ششم:گرداب با یک هسته هوای کاملاً توسعه یافته به داخل آبگیر است .[2]
رانکین((1958،گرداب را به دو بخش تقسیم کرد. ابتدا بخش مرکزی که نسبتاً کوچک است و لزجت بالایی دارد (به دلیل تلاطم زیاد و اضافه شدن ادی ویسکوزیته به لزجت سینماتیک) که شبیه یک جسم صلب در حال چرخش است .[3] بخش دیگر لزجت کمتری دارد(با لزجت کمتر حول گرداب تحت فشار دوران میکند) در ناحیه مرکزی گرداب ،سیال به گونهای میچرخد که سرعت مماسی در آن به شکل خطی با شعاع تغییر میکند. فاتور و بسچیگا ( 2003) ، به این نتیجه رسیدند که در سرریزهای نیلوفری در صورتی که سرریز مستغرق باشد مقدار دبی 1/34 برابر دبی جریان در حالت طراحی می باشد و اگر به سیستم هوادهی صورت نپذیرد جریان متلاطم میگردد .[4] الستی((2005با انجام آزمایشات روی سرریز نیلوفری به این نتیجه رسید که،گرداب باعث کاهش ضریب دبی سرریزهای نیلوفری شده و باعث بوجودآمدن تلاطم و ورود هوا به داخل مجرای تخلیه می شود .[5] نوحانی((2010، استفاده از سازه کنترل گرداب را تا حد زیادی در کنترل جریان وپایداری آن مهم دانسته است .[6]
3. چگونگی شکلگیری جریان
چگونگی جریان و شرایط معمول هیدرولیکی سرریزهای نیلوفری در شکل (2) نشان داده شده است. هرگاه ارتفاع آب روی تاج سرریز بین نقاط a و g باشد، کنترل جریان توسط تاج انجام خواهد شد(حالت اول).اگر ارتفاع آب بین g و h باشد کنترل روزنهای حاکم میگردد (حالت دوم). پس از افزایش ارتفاع از نقطه h ، مجرای تخلیه سرریز کاملا پر میشود که با حالت سوم مشخص شده است 7] و .[8
خصوصیات جریان در سرریزهای نیلوفری بر حسب اندازه نسبی اجزای مختلف آن متغیر خواهد بود.برای تاج با قطر بیشتر، میتوان با بارهیدرولیکی کمتر، دبی جریان بیشتری را تخلیه کرد.در این صورت تبدیل زودتر پر میشود و کنترل روزنهای با ارتفاع کم آب در روی تاج حاکم میگردد.به همین صورت با تغییر اندازه گلوگاه در شفت قائم، موقعیت منحنی cd تغییر میکند و بدیت ترتیب میتوان ارتفاعی را مشخص کرد که برای مقادیر بیشتر از آن کنترل روزنهای حاکم شود.اگر اندازه تبدیل چنان در نظر گرفته شود که منحنی cd بر نقطه j منطبق شود و یا در سمت راست آن قرار گیرد، کنترل جریان به طور مستقیم از تاج به منتهی الیه پایین دست مجرای تخلیه منتقل خواهد شد7] و .[8
شکل2 -مشخصهی دبی- ارتفاع
4. مکانیزم شکل گیری گرداب
تشکیل گرداب نتیجه بقاء مومنتم زاویهای در محل انقباض جریان است. در این شرایط سرعت زاویـهای افـزایش یافتـه و سـطح مقطـع جریـان کـاهش مییابدپدیده. گرداب در سرریزهای نیلوفری غالباً مشکلات عدیدهای را بهدنبال دارد و گاه باعث کاهش دبی جریان، ارتعاش، خرابی، موج و جـدایی خطوط جریان میشود و در مواردی ایمنی سازه را به مخاطره میاندازد. بهطور کلی در بررسی جریان گردابی دو ناحیـه قابـل مشـاهده اسـت در ناحیـه اول جریان مستقیماً وارد مجرای خروجی میشود در حالیکه در ناحیه دوم جریانی مشاهده نمیشود و سیال ساکن و بدون حرکت میباشد 9] و.[10
اختلاف در توزیع سرعت بین این دو ناحیه باعث ایجاد تنشهای برشی در مرز بین دو ناحیه میشود که این تنشها باعث اعمال نیروی گریـز از مرکز بر ذرات سطح سیال شده و همچنین باعث دور شدن ذرات از محور دوران و نهایتاً تشکیل هسته هوا در محور جریـان چرخشـی مـیگـردد. در نتیجه این امر، فشار در اطراف محور دوران کاهش یافته و سطح آب پایین میافتد و هسته هوا در عمق آب پایینتر میرود. در آبگیرها با کاهش سطح مقطع جریان سرعت افزایش یافته و فشار کاهش مییابد. در این شرایط تا زمانیکه هنوز فشـار از فشـار اتمسـفر کمتـر نشـده اسـت هسـته هـوا تشـکیل
نمیگردد اما به محض تقلیل فشار به مقداری کمتر از فشار اتمسفر، هسته هوا شکل میگیرد .[10]
در میان عوامل متعددی که بر مکانیزم شکلگیری گرداب مؤثر هستند، مسئلهی خروج از مرکزیت جریان نزدیک شـونده بـه مجـرای آبگیـر بیشتر مدنظر قرار گرفته است که این عامل نیز نتیجه عدم تقارن در میدان جریان وروودی ناشی از شکل هندسی سازه آبگیر مـیباشـد. از دیگـر عوامـل مؤثر بر شکلگیری گرداب کافی نبودن استغراق (submergence)، جدایی جریان (Flow separation)، تغییـر ناگهـانی (Abrupt changes) در جهت جریان و سرعتهای بالاتر از 0/6 متر بر ثانیه در میدان جریان نزدیک شونده را میتوان نام برد .[10]
5. مواد و روشها
1-5 فرضیهها
در بررسیهای آزمایشگاهی این تحقیق فرضیههایی در نظر گرفته میشوند که میتوان به چند مورد بطور مختصر اشاره کرد:
(1 زمانی که جریان از روی سرریز نیلوفری عبور میکند با توجه به شکل و هندسهی خاص این سرریز جریان سرعت بیشتری گرفته و رفتار سرریز در دبیهای بالا و نزدیک به دبی طرح تحت تأثیر این افزایش سرعت قرار گرفته و ممکن است در مدخل خروجی تخلیه جریان با مشکلاتی مواجه گردد و یا جریان عبوری از روی سرریز دچار امواج نوسانی گردد. گمان میرود چنانچه سطح داخلی سرریز پلکانی گردد این مشکلات کم شده وافت جریان در مدخل خروجی کاهش یافته و دبی عبوری از سرریز افزایش یابد.
(2همچنین گمان میرود با پلکانی کردن سرریز نیلوفری در محدودهی خاص از جریان (چون در سرریزهای نیلوفری معمولی احتیاج به حوضچه آرامش است) دیگر احتیاج به سازهی آرام کننده جریان نباشد و یا مشخصات هندسی و سازهای مناسبتری را لازم خواهد داشت.
2-5 تجهیزات آزمایشگاهی و مدل فیزیکی،هیدرولیکی
تحلیل ریاضی در همه حال قادر به ارائه و شناساندن اطلاعات کافی جهت تضمین عملکرد هیدرولیکی یک سازه آبی نخواهد بود. همچنین زمانیکه یک تحقیق در زمینهی خاصی انجام میشود ممکن است نتوان از طریق محاسبات به تمام خصوصیات دست یافت. علاوه بر این، هنوز برای بسیاری از پدیدههای هیدرولیکی روابط ریاضی مشخصی بوجود نیامده است و لازم است تا با بررسی این پدیدهها در آزمایشگاه، مکانیزم وقوع و چگونگی عملکرد آنها به طور دقیق مورد بررسی قرار گیرد و روابط ریاضی مورد نظر نیز استخراج گردد. برای رسیدن به این هدف، لازم است تا مهندسین هیدرولیک به قوانین حاکم بر انجام آزمایش و نحوهی استخراج این معادلات آشنایی کامل داشته باشند. لذا برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد یک سازه و اتفاقاتی که ممکن است رخ دهد از مدل هیدرولیکی استفاده مینماییم. منظور از مدل فیزیکی و هیدرولیکی، ساخت نمونهای از طرح واقعی ولی با ابعاد کوچکتر است، بهطوریکه رفتارهای هیدرولیکی، دینامیکی درمونه کوچک شده منطبق با نمونه واقعی باشد. مسلماً مدلهای فیزیکی-هیدرولیکی در مقایسه با مدلهای ریاضی دارای مزایای کمتری میباشند ولی از آنجا که رفتار هیدرولیکی در مدل فیزیکی به اصل شباهت بیشتری دارد و جریانهای سه بعدی را به راحتی میتوان مدل کرد، هنوز مدلهای فیزیکی- هیدرولیکی در علم هیدرولیک کاربرد وسیعی دارند.
علاوه بر این بسیاری از پدیدههای هیدرولیکی دارای آن چنان پیچیدگی هستند که دارای روابط ریاضی حاکم یا پیچیده میباشند و یا حل آنها امکانپذیر نمیباشد، در نتیجه روش تحلیلی برای آنها در حال حاضر وجود ندارد.
تصویر زیر نشان دهندهی شمای کلی مدل آزمایشگاهی موردنظر میباشد. لازم به ذکر است که عملکرد سازههای هیدرولیکی به دو دلیل باید قبل از اجرا در آزمایشگاه و در مقیاس کوچکتری مورد آزمایش قرار گیرند:
(1 به دلیل سرمایهگذاریهای بسیار کلانی که این سازهها به خود اختصاص میدهند.
( 2 به خاطر خسارتهای هنگفت جانی و مالی است که در صورت تخریب و عدم طراحی مناسب به بار خواهند آورد.
این مدل در یک آزمایشگاه شخصی و در شهر کرمانشاه جهت انجام این تحقیق ساخته شد. در ساخت این مدل تمام سعی بر این بود که ابعاد مدل و سایر خصوصیات با دقت لازم طراحی و ساخته شوند تا اندازهگیریها و داده برداریها با دقت بالایی انجام گیرند. همچنین آنچه که در اینجا بیشتر مورد نظر میباشد پیدا کردن روابط میان شکلهای خاص سازهها و شرایط مختلف جریان و ایجاد روابط بین آنهاست. در نهایت میتوان گفت سیستم آزمایشگاهی طراحی شده برای این کار مناسب میباشد.
این مدل شامل اجزای مختلفی همچون سیستم تأمین و ذخیره آب، سیستم پمپاژ آب، فلومهای اصلی و ثانویه و ... میباشد.
تابلوی مدرج
فلوم اصلی به همراه
بررسی افت
مخزن ذخیره اصلی آرام کننده جریان
فلوم ثانویه
سیستم پمپاژ آب
مخزن نهایی
سرریز شده
مسیر بازگشت آب
شکل -3 شماتیک مدل آزمایشگاهی
