بخشی از مقاله
خلاصه
جریان غلیظ یکی از مهمترین پارامترهاي موثر بر رسوبگذاري و کیفیت آب در مخازن سدها و منابع آب میباشد. یکی از پارامترهاي بسیار مؤثر در تغییر هیدرولیک جریان غلیظ، تغییرات مقاطع رودخانه در مخازن سدها میباشد. در این مطالعه تاثیر تغییرات زوایاي همگرایی مقاطع جریان بر پروفیل سرعت بدنه جریان غلیظ در یک فلوم با شیب کف قابل تغییر، عرض 72/5 سانتیمتر، عمق 60 سانتیمتر و طول 6 متر در آزمایشگاه مدلهاي هیدرولیکی دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شده است. توزیع سرعت در بدنه جریان غلیظ به وسیله دستگاه سرعت سنج اولتراسونیک برداشت گردید. با توجه به نتایج آزمایشات انجام شده مشاهده گردید که با افزایش زاویه همگرایی مقاطع، سرعت جریان در بدنه کاهش مییابد. همچنین سرعت بدنه جریان با افزایش دبی جریان غلیظ و شیب کف نیز افزایش مییابد.
کلمات کلیدي: جریان غلیظ، زاویه همگرایی، توزیع سرعت
مقدمه
رسوبگذاري همواره به عنوان مهمترین عامل در کوتاه کردن عمر مفید سدها مطرح بوده است و سدهاي مخزنی زیادي به دلیل پرشدن از رسوب، متروکه شدهاند. رسوبات تجمع یافته میتوانند خطر مسدود شدن آبگیر و سازههاي تخلیه کننده تحتانی و یا آسیب رساندن به دریچههایی که براي عبور رسوب طراحی نشدهاند را به دنبال داشته باشند. یکی از مهمترین پدیدهها در رسوبگذاري مخازن سدها جریانهاي غلیظ میباشند که بایستی نقش این جریانها در فرآیند رسوبگذاري مخازن شناسایی شده و با شناخت پارامترهاي مختلف این جریان نسبت به مدیریت رسوب مخازن اقدامات موثر را انجام داد. اگر سیالی با دانسیته معلوم وارد یک سیال ساکن با دانسیه متفاوت گردد، بسته به تفاوت دانسیته میان سیال ورودي و سیال ساکن به یکی از صورتهاي زیر جریان، میان جریان و یا رو جریان در میآید - شکل - 1 که به این جریانها، جریانهاي غلیظ اطلاق میشود.
شکل -1 انواع جریان غلیظ زیر جریان، میان جریان و رو جریان
روشهاي مختلفی براي جلوگیري از ورود رسوبات و تخلیه آنها وجود دارد اما به دلیل هزینه نسبتاً زیاد این روشها، در غالب موارد سعی میشود که با استفاده از نیروي هیدرودینامیکی آب، رسوبات ریزدانه خارج شوند. یکی از این روشها خارج کردن جریان سیلاب با استفاده از دینامیک جریان غلیظ میباشد. بدین منظور بررسی و مطالعه حرکت جریانهاي غلیظ میتواند اطلاعات گرانبهایی را در اختیار قرار دهد و انجام تحقیقات در این زمینه به منظور جلوگیري از افزایش رسوبات مخزن و به تبع آن افزایش عمر مفید آنها امري مهم و ضروري میباشد.
تئوري تحقیق
جریان غلیظ و یا جریان چگال عبارتست از جریانی که به علت اعمال نیروي ثقل بر روي اختلاف چگالی دو سیال به وجود میآید. تفاوت جریانهاي غلیظ با جریان در مجاري روباز ناشی از تأثیر کاهندهاي است که سیال پیرامون روي نیروي ثقل دارد به طوري که شتاب ثقل موثر به صورت زیر تعریف میگردد:
شکل- 2 نماي شماتیک یک جریان غلیظ
جریان غلیظ داراي شکل مشابه جت دیواره میباشد. در جت دیواره دو رژیم قابل تشخیص است. رژیم دیواره و رژیم جت - شکل . - 3 humax در حقیقت ارتفاعی است که در آن سرعت ماکزیمم میباشد. یعنی : u= U max
دو رژیم فوقالذکر عبارتند از:
- 1 رژیم دیواره یعنی z < h umax ، تلاطم به واسطه تنش برشی کف ایجاد شده و حمل رسوب EsVs انجام میگردد.
- 2 رژیم جت یعنی z > h umax ، تلاطم به واسطه تنش برشی در بخش آزاد ایجاد شده و باعث حمل آب در لبه بیرونی EwU میگردد.
شکل – 3 شماتیک توزیع بیبعد سرعت
پیشینه تحقیق
جریانهاي ثقلی به وفور در طبیعت و یا مکانهاي ساخته شده توسط انسان مشاهده میشوند. این نوع جریانها درمواقع طوفان صحرا، سرازیر شدن گدازههاي آتشفشانی از کوهها، سقوط بهمنها و در دریاها، اقیانوسها و منابع عظیم آب مشاهده شدهاند.
Peakall et al. تغییرات زمانی یک جریان غلیظ کدر را مورد بررسی قرار داد و یک سري زمانی در این خصوص ارائه کرد. Best etal. با استفاده از یک دستگاه UDVP 4-MHz تغییرات تدریجی زمانی و مکانی سرعت متوسط و تلاطم رسوبات داخل جریان را مورد بررسی قرار داد. اما در این مطالعات هیچ اطلاعاتی در خصوص غلظت و اندازه ذره جمع آوري نشد.
اگرچه اجزاء مختلف یک جریان غلیظ کدر را میتوان با اندازهگیري در یک نقطه مطالعه نمود، اما از آن جایی که جریان غلیظ کدر معمولا یک جریان غیر یکنواخت است، بنابراین آنالیز و بررسی طولی جریان غلیظ کدر با اندازهگیري در یک مکان امکانپذیر نمیباشد.
McCaffrey et al. با توجه به محدودیتهاي وسایل اندازهگیري، ابزار اندازهگیري را در یک نقطه ثابت از فلوم قرار داده و سپس جهت ارزیابی تغییرات مکانی و زمانی، جریان غلیظ کدر را از محلهاي مختلف ایجاد گردید. شکل شماره - 4 - شماتیک فلوم آزمایشگاهی و ابزار آن را نمایش می-دهد. فلوم 10m طول ، 0/3 m عرض و 0/3 m ارتفاع داشت.
شکل – 4 شماتیک تجهیزات آزمایشگاهی - McCaffrey et al. -
مواد و روشها
آزمایشات در یک فلوم با شیب کف قابل تغییر، عرض 72/5 سانتیمتر، عمق 60 سانتیمتر و طول 6 متر در آزمایشگاه مدلهاي هیدرولیکی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز انجام شد. برداشتها در سه شیب 0/009 ، 0/012 و 0/016 ، سه دبی 1/3 ، 0/98 و 0/58 لیتر بر ثانیه، سه زاویه همگرایی 8، 16 و 25 درجه و در غلظت 16 گرم بر لیتر مطابق جدول - 1 - صورت گرفت.
جدول – 1 حالات مختلف آزمایشات انجام شده
فلوم و تجهیزات موجود در شکل - 5 - نشان داده شده است. قبل از شروع آزمایشات ، همه ي ابزارهاي اندازه گیري به نحو مناسب آماده و فلوم از آب معمولی پر میشد . سیال غلیظ تولید شده از طریق خط لوله و با شدت ثابت از مخزن اختلاط به یک منبع با ارتفاع ثابت - هد تانک - پمپاژ میشد و سپس از تانک توسط یک سیستم لوله و شیر فلکه به داخل فلوم هدایت میگردید. دبی جریان غلیظ ورودي به فلوم با استفاده از یک شیر فلکه تنظیم و به روش حجمی اندازهگیري میشد. انتهاي بالادست فلوم با استفاده از یک صفحه مسدود شده بود. تمام طول فلوم به وسیله یک دریچه جداکننده کشویی به دو بخش با طول متفاوت تقسیم شد. بخش کوتاهتر در بالادست نقش تانک اصلی را براي سیال غلیظ مولد جریان غلیظ ایفا می-
