بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق آزمایشاتی با استفاده از تزریق رسوب معلق با یک غلظت ثابت و اندازهگیری سهبعدی سرعت در سه عمق و در محدوده اعداد فرود 0/20-0/45 انجام گرفت. نتایج نشان داد با افزایش عدد فرود در هر سه عمق مقدار Qr Gr - نسبت رسوب ورودی به آبگیر به نسبت آبگیری - در محدودهی عدد فرود 0/35 حداقل میگردد. همچنین بررسی مؤلفههای سرعت و زاویه ورودی جریان به آبگیر نشان داد با افزایش عدد فرود و افزایش نسبت Qr Gr در شاخه صعودی، سرعت عرضی در تمام سطوح عمق جریان افزایش مییابد و زاویه ورودی جریان نیز در لایه کف که تأمینکننده قسمت اعظم رسوبات است و مهمترین لایه در میزان رسوب ورودی به آبگیر میباشد نیز افزایش مییابد.
واژههای کلیدی: آبگیر جانبی، الگوی جریان، رسوب، سرعت سه بعدی
مقدمه
رودخانهها بزرگترین منبع آب میباشند که استفاده از آن برای نیازهای متفاوت مناسب میباشد. با توجه به اهمیت رودخانهها به عنوان یک منبع تأمین آب، مطالعات زیادی بر روی نحوه آبگیری از این منبع و تعیین الگوی جریان انحرافی از کانال اصلی به کانالهای جانبی صورت پذیرفته است. آبگیرهای ثقلی یکی از قدیمیترین و مناسبرین سازههای انتقال آب از رودخانهها میباشند. همچنین آبگیرها در شبکههای توزیع آب، کانالهای آبیاری، شبکههای فاضلاب، تأسیسات مربوط به تصفیه خانههای آب و فاضلاب، ورودی به تأسیسات تولید برق و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
مطالعات رادکیوی - 1993 - 1 نشان داد به علت تغییراتی که در توزیع سرعت در منطقه آبگیری رخ میدهد، معمولاً عمل رسوبگذاری در دهانه آبگیر صورت می گیرد که باعث کاهش راندمان آبگیری، ورود رسوبات درشتدانه به داخل شبکه، افزایش هزینههای اجرایی برای عملیات رسوبزدایی و در نهایت تغییر خطالقعر رودخانه به سمت ساحل مقابل آبگیر میشود. رامامورتی و همکاران - 2007 - 2 با بررسی مولفه سرعت عرضی به این نتیجه رسیدند حداکثر مقدار این مولفه برای پنج نسبت دبی مورد آزمایش در پاییندست آبگیر بهوجود میآید. بررسیهای پروفیل سرعت نشان داد عمق جریان در کانال اصلی از فرعی بیشتر میباشد و کمترین عمق در ناحیه فشردگی جریان در آبگیر رخ میدهد . ادگارد - - 2009 نیز برای طراحی صفحات مستغرق به منظور کنترل رسوب رابطهای را بین نسبت عرض مجرای جریان در سطح به عرض کانال اصلی با نسبت دبی انحرافی ارائه داده است.
با توجه به تحقیقات عباسی - 1382 - حداکثر مؤلفه عرضی سرعت در ورودی آبگیر در حالت وجود آستانه از حالت عدم وجود آستانه کمتر میباشد، در نتیجه رسوبات کمتری وارد آبگیر میشود. نتایج اندازهگیری سرعت در نزدیک بستر برای عدد فرود کم - Fr=0/312 - و عدد فرود زیاد - Fr=0/405 - با نسبت آبگیری تقریباً ثابت - Qr=0/204 - و - Qr=0/217 - در زاویه آبگیری 60 درجه نشان داد نسبت رسوب ورودی به آبگیر در حالت عدد فرود کم و زیاد به ترتیب برابر Gr=0/478 و Gr=0/436 میباشد. با افزایش عدد فرود، مؤلفه عرضی سرعت و زاویه بردارهای سرعت با جهت جریان کاهش مییابد. در نتیجه با افزایش عدد فرود جریان، در نزدیکی بستر با کاهش مؤلفه عرضی سرعت به سمت آبگیر و کاهش زاویه بردارهای سرعت با جهت جریان، جریان نزدیک بستر به پاییندست منتقل شده و رسوبات کمتری وارد آبگیر میشود. بررسی کلی نتایج آزمایشات نیز حاکی از این است که با افزایش عدد فرود جریان در حالت آبگیری ثابت، رسوب ورودی به آبگیر کاهش مییابد. برای تعیین زاویه ورودی از رابطه زیر استفاده گردید.
:ϕ زاویه بردار سرعت با راستای جریان در کانال اصلی بر حسب درجه است. زاویه صفر نشان میدهد جریان بهطور مستقیم در راستای کانال اصلی از مقابل آبگیر عبور مینماید و زاویه 90، نشان میدهد جریان بهطور مستقیم و در جهت کانال آبگیر در حرکت است. U1 و U2 به ترتیب سرعت در راستای کانال اصلی و فرعی میباشد. هر چه مقدار ϕ افزایش یابد نشان میدهد انتقال ذرات به آبگیر بیشتر میگردد.
سیدیان و شفاعی بجستان - 1387 - با استفاده از مدل سهبعدی SSIIM 2 به بررسی الگوی جریان در دهانهی آبگیر جانبی برای دو حالت کانال اصلی با دیواره قائم و شیبدار اقدام نمودند و نشان دادند که شیبدار کردن باعث اصلاح الگوی جریان میشود به گونهای که عرض مجرای جریان در کف کاهش و در سطح بیشتر میشود. همچنین آنها نشان دادند در حالت دیواره شیبدار مساحت سطح مقطع لولهی جریان نسبت به دیوارهی قائم کاهش مییابد. آنها بیان نمودند با کاهش سطح مقطع لوله جریان و عرض مجرای جریان در کف انتظار میرود رسوب ورودی به آبگیر کاهش یابد.
بررسیهای انجام شده نشان میدهد اغلب کارهای انجام شده در زمینه رسوب بر روی نحوهی انتقال آن به آبگیر بوده است و اغلب تحقیقات با استفاده از بار بستر انجام شده است و تعیین بهترین شرایط هیدرولیکی به منظور ورود حداکثر دبی به همراه حداقل رسوب کمتر مورد توجه بوده است. همچنین بررسی مؤلفههای سرعت و زاویه ورودی جریان به آبگیر به منظور بررسی تأثیر عدد فرود بر میزان رسوب ورودی در لایه بستر انجام شده است. در این تحقیق ابتدا آزمایشات رسوب با هدف تأثیر عدد فرود بر میزان رسوب ورودی به آبگیر و تعیین بهترین شرایط آبگیری - حداکثر دبی و حداقل رسوب - انجام شد. سپس با استفاده از سرعتهای برداشت شده رابطه مؤلفههای سرعت و زاویه ورود جریان به آبگیر با عدد فرود در سه سطح از عمق جریان مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روشها تجهیزات آزمایشگاهی
به منظور رسیدن به اهداف این تحقیق، آزمایشهایی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شد. کانال اصلی و آبگیر دارای مقطع مستطیلی با کف و دیوارههایی از جنس پلکسی گلاس با عرض 0/25 متر و ارتفاع مفید 0/7 متر است. طول کانال اصلی و آبگیر به ترتیب 8 و 2/25 متر است و کانال آبگیر در فاصله 5/5 متری از ابتدای کانال اصلی با زاویه 90 درجه به کانال اصلی متصل شده است. مشخصات فلوم در شکل - 1 - آورده شده است. مخزن تأمین جریان در زیر آزمایشگاه واقع شده است و جریان ورودی به فلوم توسط یک پمپ سانتریفیوژ با دبی اسمی 100 لیتر بر ثانیه تأمین میگردد. انرژی جریان ورودی از پمپ در ابتدای کانال توسط حوضچهای مستهلک شده و پس از عبور از دو لایه توری مشبک، جریان وارد کانال میگردد. تنظیم عمق جریان توسط دو دریچه که در انتهای کانال اصلی و آبگیر تعبیه شده بود، صورت میگرفت. با توجه به هدف این تحقیق که استفاده از رسوب معلق میباشد، از رسوب پلاستیکی استفاده گردید که در تمام اعداد فرود به صورت معلق در تمام عمق جریان در حرکت باشد. به منظور تزریق رسوب با غلظت ثابت 1 گرم بر لیتر، از یک دستگاه تزریق رسوب با الکتروموتور گیربکسی استفاده گردید که امکان تزریق یک غلظت ثابت در دبیهای مختلف توسط این دستگاه به وجود آمد . آزمایشات مربوط به یکنواختی ریزش رسوب در دبیهای مختلف نشان داد یکنواختی ریزش در حد مناسبی است. به منظور تلهاندازی رسوبات از دو سبد در انتهای کانال اصلی و فرعی استفاده گردید. پس از تلهاندازی رسوبات، جریان وارد حوضچه آرام کننده شده و سپس دبی جریان کانال اصلی و فرعی به ترتیب توسط دو سرریز 53/8 و 90 درجه اندازهگیری گردید. به منظور برداشت مؤلفههای سرعت از یک سرعتسنج سه بعدی - Nortek - ADV استفاده گردید. سرعت در هر نقطه با فرکانس 65 Hz در مدت زمان 45 ثانیه برداشت شد.
شکل -1 مشخصات و جانمایی تجهیزات و فلوم
روش انجام آزمایشها
آزمایشات رسوب در سه عمق 10، 20 و 25 سانتیمتر و آزمایشات هیدرولیک به دلیل محدودیتهای دستگاه سرعتسنج فقط در عمق 25 سانتیمتر و در محدوده اعداد فرود 0/20-0/45 انجام شد. با توجه به عدد فرود و عمق مورد نظر دبی مورد نیاز هر آزمایش محاسبه میگردید. در حالی که دریچهای انتهایی کانال اصلی و آبگیر کاملاً پایین بوده و شرایط جریان آزاد برقرار بود، جریان ورودی به کانال به نحوی تنظیم میشد که مجموع دبی عبوری از سرریزهای کانال اصلی و آبگیر برابر دبی مورد نظر آزمایش باشد. سپس نسبت آبگیری تعیین شده و دریچههای انتهای کانال اصلی و آبگیر طوری تنظیم میشدند که با همان نسبت آبگیری در شرایط آزاد، عمق مورد نظر نیز تأمین گردد. در آزمایشات رسوب با توجه به دبی هر آزمایش، دستگاه بهگونهای تنظیم میگردید که رسوب با غلظت ثابت یک گرم بر لیتر به مدت 90 دقیقه تزریق شود و پس از پایان آزمایش، رسوبات تلهاندازی شده در سبدها جمعآوری، خشک و توزین میگردید و نسبت رسوب ورودی به آبگیر تعیین میشد. آزمایشات هیدرولیک با اندازهگیری مؤلفههای سرعت در عمق 25 سانتیمتر در سه سطح - نزدیک کف و اعماق 9 و 18 سانتیمتر - برداشت گردید. محدوده متغیرها در جدول - 1 - ارائه شده است.
با استفاده از آنالیز ابعادی میتوان عوامل بدون بعد مؤثر در پدیده مورد مطالعه را شناخت. عوامل موثر بر پدیده عبارتند از: دبی رسوب در بالادست دهانه آبگیر - Qsu - ، دبی رسوب ورودی به آبگیر - Qsi - ، دبی جریان در بالادست کانال اصلی - Qu - ، دبی جریان در آبگیر - Qi - ، سرعت جریان در بالادست کانال اصلی - Vu - ، عمق هیدرولیکی جریان در بالادست کانال اصلی - Du - ، عمق هیدرولیکی جریان در پاییندست کانال اصلی - Dd - ، زمان آزمایش - t - ، قطر متوسط رسوبات - d50 - ، دانسیته
