بخشی از مقاله
بررسی عملکرد هیدرولیکی سرریز فیوزگیت مدل WLH با سه ارتفاع متفاوت پاشنه
چکیده
یکی راههای مؤثر و اقتصادی جهت افزایش ظرفیت تخلیه سرریز و ذخیره آب در مخازن، استفاده از فیوزگیت میباشد. ضریب دبی در فیوزگیتها تابعی از ارتفاع آب بالادست و طول مؤثر تاج میباشد. فیوزگیتها شامل سه نوع: دریچه باریک با بار کم (Narrow, Low Head) ، دریچه عریض با بار کم (Wide, Low Head) و دریچه عریض با بار زیاد (Wide, High Head) میباشند. در این تحقیق، تأثیر 3 پاشنه با ارتفاعهای متفاوت بر روی فیوزگیت مدل WLH مورد بررسی قرار گرفته و برای تعادل سازه از وزنهای به جرم 43/7 گرم استفاده شده است. سرریز مذکور، از جنس پلکسی گلاس بوده و دارای ارتفاع 50 میلیمتر میباشد. آزمایشها در کانال آزمایشگاهی به طول 5 متر، عرض 75 میلیمتر و ارتفاع 175 میلیمتر انجام شد. در این پژوهش، رابطهی میان پارامترهای بدون بعد h/P و We با ضریب دبی مورد بررسی قرار گرفت و با استفاده از نرمافزار SPSS، رابطهای برای ضریب دبی در 3 حالت، استخراج شد. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت ارتفاع آب بالادست سرریز به ارتفاع پاشنه و افزایش عدد وبر، ضریب دبی ابتدا افزایش و پس از رسیدن به یک مقدار ماکزیمم، مجدداً کاهش مییابد. همچنین مشخص شد که در یک نسبت ثابت h/P ، با افزایش ارتفاع پاشنه، ضریب دبی کاهش مییابد.
واژههای کلیدی: پاشنه، سرریز، ضریب دبی، فیوزگیت، وزنه
مقدمه
سرریزها به صورتهای مختلفی ساخته میشوند. متداولترین آنها سرریزهای آزاد و یا سرریزهای سطحی میباشند (نیک صفت، .(1380 سرریزهای ریزشی کنترل نشده یا آزاد، جزء معتبرترین سرریزها جهت ایمنی سدها هستند. از آنجا که این سرریزها دارای هزینه ساخت بالاتری میباشند و باعث اتلاف قابل ملاحظهی آب از مخزن میشوند، بهکارگیری فیوزگیتها میتواند راهحلی برای تطبیق ایمنی سد با حداکثر ظرفیت ذخیره باشد (افشار و همکاران، .(2003 فیوزگیتها در سال 1989 بهوسیله فرانسیس لمپریر (François Lempérière)، بهعنوان یک سیستم ساده و ایمن برای افزایش ذخیره مخزن، افزایش ظرفیت تخلیه سرریز و در نتیجه افزایش ایمنی سد اختراع شدهاند (فالوی و تریله، .(1995 این نوع از سرریزها در بیشتر از 40 سد در 14 کشور مختلف در بین 5 قاره اجرا شده است (ککاهان، .(2003 اولین بار این سرریز بر روی سد آبیاری Lussas واقع در فرانسه در سال 1991 به اجرا در آمده است که توانسته ظرفیت مخزن را حدود 15 درصد افزایش دهد (لمپریر، .(1992 از موارد کاربرد این سرریز میتوان به سدهای زیر اشاره کرد:
سرریز مدل WHH برای افزایش ایمنی سد Shongweni در کشور افریقای جنوبی در سال 1994 (هکین و تریسلر، (1994، فیوزگیت تاج مستقیم برای حل مسئله لایروبی مخزن سد Beni Amrane در الجزایر در سال 2003 (چوالیر، (2004، سرریز مدل WHH بر روی سد Terminus در کالیفرنیا در سال 2004 جهت کنترل سیل و تأمین آب کشاورزی (ککاهان و سوتر، (2004، اجرای سرریز فیوزگیت بهعنوان جایگزینی برای لایروبی بر روی سد Ghrib در الجزایر در سال 2007 (بلنس، .( 2006 هر فیوزگیت شامل 3 جزء: جام (Bucket)، پایه (Base) و چاهک ورودی (Inlet Well) متصل به محفظه (Chamber) که در شکل زیر نشان دادهشده، میباشد (چوالیر و همکاران، .(1996
شکل -1 نمای سهبعدی سرریز فیوزگیت
فیوزگیتها، از نظر نسبت عرض دریچه به ارتفاع و بهوسیله محدوده سرریز شدن آن، به سه مدل استاندارد: دریچه باریک با بار کم (NLH)، دریچه عریض با بار کم (WLH) و دریچه عریض با بار زیاد (WHH) تولید میشوند. برای دبیهای بزرگتر از دبی طراحی، آب از طریق چاهک به محفظهای که در پایه فیوزگیت قرار دارد، میریزد . در صورتیکه جریان ورودی به چاه از جریان خروجی از سوراخهای زهکش که در محفظه تعبیه شده اند، تجاوز کند، تراز آب در داخل چاه افزایش پیدا میکند که نتیجه آن افزایش فشار در محفظه پایین است و نیروی بالابر را به فیوزگیت اعمال میکند. نیروی بالابر دریچه را ناپایدار کرده و در یک تراز مشخص، فیوزگیت حول لبه پاییندست خود چرخش میکند. به همین دلیل درهنگام نصب فیوزگیتها در یک محل مشخص، رقوم تاج چاهکها در فیوزگیتهای مجاور در ارتفاعهای (یا ترازهای) متفاوتی تنظیم میشود تا همهی دریچهها با هم واژگون نشوند.
شکل -2 مراحل عملکرد فیوزگیت
تحقیقات در مورد مشخصات تخلیه فیوزگیتها بهوسیله آزمایشگاه ملی هیدرولیک (National Hydraulic Laboratory) در فرانسه و آزمایشگاه انجمن تنسی آمریکا (Tennessee Valley Authority) انجام شده است. معادله دبی قبل از واژگونی با استفاده از ضریب دبی Cd، بهصورت زیر میباشد (فالوی و تریله به نقل از رز، :(1995
(1) Q = ( ) √ g Cd Lc h
که =Q دبی (m3/s)، =Lc طول تاج فیوزگیت (m)، =h اختلاف ارتفاع تاج و آب در مخزن (m)، میباشد. ضریب دبی تابعی از طول تاج فیوزگیت و نسبت h به عمق کل جریان روی پایه است.
تولیس و همکاران (1995)، آزمایشهایی روی سرریز کنگرهای با زاویههای کناری مختلف انجام داده و رابطهای برای ضریب دبی بدست آورند. این پژوهشگران اظهار داشتند با استفاده از این رابطه و فرمول دبی سرریز خطی میتوان مقدار دبی سرریز کنگرهای را تخمین زد. قدسیان و شنوایی (1379)، پارامترهای مؤثر بر روی ضریب آبگذری سرریزهای کنگرهای مثلثی شکل در پلان، با تاج ربع دایرهای را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان میدهد که با افزایش نسبت ارتفاع جریان روی سرریز، ضریب آبگذری افزایش یافته و به حداکثر خود میرسد و سپس کاهش یافته و ثابت میگردد. نتایج حاصله بهصورت تغییرات ضریب آبگذری بر حسب نسبت ارتفاع جریان به ارتفاع سرریز و طول تاج به عرض سرریز ارائه شده است. جواهری و کبیری سامانی ( (1390، با استفاده از اطلاعات آزمایشگاهی جمعآوری شده، معادله ضریب دبی سرریز زیگزاگ با شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف را ارائه دادند. نتایج نشان داد که این سرریز بازده بسیار بالایی دارد و دبی عبوری از آن در هد ثابت در مقایسه با سرریز لبه تیز و سرریز منقاری مثلثی بهترتیب 2 و 5 برابر است. کریمیان علی آبادی و همکاران (1390)، به مقایسه عملکرد فیوزگیتها و دریچههای قطاعی از نظر فنی پرداختند و با بررسی هیدروگرافهای ورودی و خروجی، به این نتیجه رسیدند که استفاده از فیوزگیتها نسبت به دریچههای قطاعی بهینهتر و اقتصادیتر است. محمد ولی سامانی و همکاران (1390)، مدل نیمهتحلیلی جدیدی برای تعیین رابطه دبی- اشل در سازههای مرکب از سرریز و دریچه با هندسههای متفاوت، در حالت نیمهمستغرق و تمام مستغرق ارائه دادند. ایشان برای بهدست آوردن رابطه دبی- اشل در حالت نیمهمستغرق از رابطه پیوستگی، انرژی، مومنتوم و حرکت پرتابی و برای حالت جریان تمام مستغرق از رابطه پیوستگی، انرژی و مومنتوم استفاده کردند. در این پژوهش، به بررسی تأثیر پاشنه با ارتفاعهای متفاوت بر ضریب آبگذری فیوزگیت مدل WLH پرداخته شده و رابطهای برای دبی عبوری سرریز استخراج گردیده است.
مواد و روشها
آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری روی فلوم افقی که دیوارههای آن از جنس پلکسی گلاس شفاف میباشد، انجام شد. این کانال به طول 5 متر، عرض 75 میلیمتر و ارتفاع 175 میلیمتر میباشد. دبی فلوم توسط دو پمپ که دارای حداکثر دبی 2 لیتر بر ثانیه میباشد، تأمین و بهوسیله یک سرریز مثلثی 90 درجه در ورودی فلوم اندازه-گیری گردید. شکل (3) فلوم مورد استفاده را نشان میدهد. همانطور که مشخص است، در بالادست فلوم از صفحههای آرامکننده برای کاهش انرژی جنبشی آب استفاده شده است. در شکل (4) نیز، نیمرخ طولی فیوزگیت بههمراه پارامترهای P، H و h نمایان است.
شکل -3 شکل و اجزای فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده
شکل -4 نیمرخ طولی فیوزگیت
برای اندازهگیری عمق آب از یک عمقسنج نقطهای با دقت 0/1 میلیمتر استفاده شده است. قبل از شروع آزمایشها، سرریز مثلثی بهصورت حجمی واسنجی و رابطه دبی- اشل برای محاسبه دبی بهدست آمد. در این آزمایش، از یک فیوزگیت مدل WLH که از پلکسی گلاس ساخته شده و دارای ارتفاع 50 میلیمتر و ارتفاع چاهک 57 میلیمتر میباشد استفاده گردیده است. آزمایشها بر روی 3 ارتفاع متفاوت پاشنه که ارتفاع آنها بهترتیب 8، 16 و 24 میلیمتر میباشد انجام شده و برای تعادل سازه، وزنهای به جرم 43/7 گرم که از جنس سرب بوده و بر روی کف سرریز قرار میگیرد، بهکار برده شده است. فیوزگیت بهوسیله یک لولا بر روی پاشنهای که از جنس پلکسی گلاس است، نصب و با چسب سیلیکون در فلوم آببندی گردید. محل قرارگیری این سازه بهدلیل کاهش اثر تلاطم جریان ورودی، در یک متری انتهای پاییندست فلوم درنظر گرفته شد. محدوده دبی آزمایش از 0/2 تا 1/8 لیتر بر ثانیه بود. بر این اساس، عمق آب در 30 سانتیمتری بالادست سازه اندازهگیری شد. شکل زیر، نمایی از سرریز فیوزگیت را نشان میدهد.
