بخشی از مقاله
چکیده
سرریز مثلثی بدلیل افزایش طول مؤثر، کارایی بیشتری نسبت به سرریز مستقیم دارد. در این مقاله با استفاده از مدل آزمایشگاهی، پرههای هادی در بالادست سرریز مثلثی 45 درجه، با تعداد، ضخامت و آرایشهای مختلف متصل شده و تأثیر آنها بر ضریب دبی جریان مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد به ازای دبی عبوری یکسان در برخی مدلها با حضور پره هادی نسبت به سرریز ساده، ضریب دبی میتواند به میزان 16/2% افزایش یابد. بکارگیری پره هادی با ضخامت بیشتر تاثیر کمتری بر افزایش ضریب دبی دارد حتی در برخی موارد باعث کاهش آن میشود.
واژههای کلیدی: سرریز مثلثی، طول مؤثر، پرههای هادی، ضریب دبی
مقدمه
یکی از اجزای اصلی پروژههای آبی و سدسازی، سرریز میباشد. این سازهها به منظور کنترل سطح آب و اندازهگیری جریان به اشکال مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از راههای بسیار مؤثر و اقتصادی به منظور افزایش طول مؤثر تاج، استفاده از سرریزهای چندوجهی می باشداین. سرریزها که اخیراً استفاده زیادی پیدا کردهاند به نامهای متفاوتی از قبیل منقاری، کنگرهای و چندوجهی نامگذاری شدهاند. به طور کلی این سرریزها به وسیله محور شکسته که در پلان بصورت ذوزنقه، مثلث، مستطیل و یا U شکل است و میتوانند چندین بار تکرار شوند، مشخص میگردند. محور سرریز که به صورت خط شکسته است سبب میشود که طول تاج آن، در مقایسه با تاج مستقیم بیشتر باشد.[1]
پدیده جریان از روی این سرریزها یک جریان سه بعدی است. محققین برای بدست آوردن یک نتیجه کاربردی و قابل استفاده، جریان را یک بعدی در نظر گرفتهاند. با توجه به شکل - 1 - مشاهده میشود که جهت جریان از روی این سرریزها بر خلاف سرریزهای خطی، عمود بر لبه تاج نیست و تحت زاویه مایلی از روی تاج عبور میکند. در نواحی بالادست و پایین دست، جهت جریان بیشتر موازی با محور تقارن سرریز است تا در جهت عمود بر تاج و این پدیده در دماغههای پاییندست که جریان روی هم انباشته شده و سرریز میشود بیشتر قابل مشاهده است، این امر سبب کاهش کارایی سرریز میشود.[2]
شکل - 1 - جریان عبوری از روی سرریز چند وجهی
اولین تلاش برای تحلیل عملکرد هیدرولیکی سرریزهای چندوجهی را میتوان به تیلور نسبت داد. او با بررسی این سرریزها نتیجه گرفت که سرریزهای چندوجهی دارای ضریب بزرگتری نسبت به سرریزهای خطی، در یک کانال با عرض یکسان میباشند.[ 3] کاسیدی و لاکس با استفاده از مدلهای هیدرولیکی و استفاده از بار آبی کل به جای بار پیزومتری و محاسبه پارامترهای لازم، موفق به بدست آوردن فرمولهای تجربی برای دبی عبوری از روی سرریزهای چندوجهی شدند.[2] تولیس و همکاران، سرریزهای چندوجهی را که در پلان به شکل ذوزنقه می-باشند بررسی کرده و برای زوایای مختلف ، روشی را برای طراحی ارائه دادند.[3] روش طراحی آنها به گونهای است که در یک سرریز چندوجهی، زاویه و تعداد سیکلها تغییر مییابد تا بالاخره آرایش و دبی مورد نظر حاصل گردد. ورملیتون و تسانگ، کارایی سرریزهای چندوجهی در هوادهی و افزایش اکسیژن محلول رودخانهها را مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که سرریزهای چندوجهی نسبت به سرریزهای خطی به نحو بسیار مطلوبتری در افزایش اکسیژن محلول عمل مینمایند.[4]
روشنی وهمکاران، با انجام آزمایشاتی بر روی انواع مدل سرریز چندوجهی U شکل و مستطیلی به بررسی ضریب دبی جریان و عوامل مؤثر بر آن نظیر ارتفاع سرریز، طول سرریز و شکل پروفیل آستانه پرداختند. آنها دریافتند که ضریب دبی در سرریز U شکل بیشتر از سرریزهای ذوزنقهای با زاویه برابر 8 و 12درجه بوده و همچنین ضریب دبی در سرریزهای مستطیلی کمتر از ضریب دبی در سرریزهای اخیر است.[5]
پروانه و همکاران با بررسی سرریزهای چندوجهی مثلثی دریافتند که تا زمانی که عمق جریان عبوری از سرریز کم است ، خطوط جریان نسبتاً عمود بر تاج سرریز خواهند بود و از تمام طول تاج به طور مؤثر استفاده میشود، در صورتی که با افزایش عمق جریان میزان عمود بودن کاهش یافته و خطوط جریان از حالت عمود منحرف میشوند لذا طول مؤثر تاج کاهش پیدا میکند.[6]
کبیری سامانی تأثیر استفاده از پرههای هادی مستغرق را بر روی سرریزهای مایل مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که بکارگیری پرههای هادی مستغرق در حالت عمود بر سرریز، میتواند ضریب دبی را به میزان 33% افزایش دهد. شکل - 2 - کاربرد پرههای هادی مستغرق را در بالادست سرریز مایل در این مطالعه نشان میدهد.[7]
شکل - - 2 شکل شماتیک پره های هادی مستغرق بکار رفته در بالادست سرریز مایل در مطالعات کبیری سامانی [7]
با توجه به بررسی پروانه و همکاران [6]، مشخص شد که در دبیهای زیاد کارایی سرریز چندوجهی مثلثی کاهش مییابد، از آنجایی که تاکنون در مورد کاربرد پره هادی در بالادست سرریز چندوجهی مطالعهای صورت نگرفته لذا در این مقاله از پرههای هادی که به طور مستغرق در بالادست سرریز مثلثی با زاویه رأس 45 درجه نصب میشوند استفاده شده است. هدف از این کار، هدایت جریان در دبیهای بالا در جهت عمود بر دیواره سرریز مثلثی و ارزیابی اثر آن بر ضریب دبی سرریز مثلثی میباشد. برای انجام آزمایشها سه ضخامت برای پرهها در نظر گرفته شد که برابر با 2/5، 5 و7/5 درصد از طول یک وجه سرریز مثلثی میباشند. این پرهها به تعداد و آرایشهای مختلف که ذکر خواهد شد در بالادست سرریز نصب میشوند و ضریب دبی در 4 دبی بدست میآید.
مواد و روشها
تحقیق حاضر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده کشاورزی دانشگاه صنعتی اصفهان انجام گرفت. فلوم آزمایشگاهی مورد نظر دارای ابعادی به طول 7 متر، عرض 32 سانتیمتر و ارتفاع 36 سانتیمتر است. دیوار و کف فلوم از جنس پلکسی گلاس به ضخامت10میلیمتر است. این فلوم به وسیله دو پمپ موازی با حداکثر دبی 20 لیتر بر ثانیه تغذیه میگردد. تغییرات دبی در این فلوم به وسیله یک شیر کنترل که بلافاصله بعد از پمپ و در ابتدای دهانه ورودی قرار گرفته است، انجام شده است. مدل مورد نظر یک سرریز چندوجهی مثلثی شکل، از جنس ورق گالوانیزه به ضخامت 1 میلیمتر است. آستانه سرریز به صورت لبه صاف است. ارتفاع این مدل با توجه به رابطه توصیه شده محققین قبلی یعنی
- در این رابطه P ارتفاع سرریز وw عرض فلوم میباشد که عرض آن برابر با 32 سانتیمتر است - برابر با 12سانتیمتر درنظر گرفته شد. با توجه به نظر محققین، بیشترین ضریب دبی برای سرریز مثلثی، در زاویه رأس 45 درجه بدست آمده است.[8] لذا در این تحقیق، سرریز با زاویه رأس 45 درجه در نظر گرفته شد - شکل . - 3
شکل - - 3 ابعاد سرریز چندوجهی مورد استفاده در این تحقیق
مدل در فاصله 4/5 متری از ابتدای کانال نصب شد. علت انتخاب این فاصله توسعهیافتگی کامل جریان در فاصله 3/5 متری تا 4/5 متری کانال میباشد. شکل - 4 - نیمرخ سرعت برداشت شده را نشان میدهد نیمرخهای سرعت در فواصل 3/5 و4/5 متری انطباق خوبی بر هم دارند.
شکل - - 4 مقایسه نیمرخ سرعت در فواصل 5/5،2/1، 3/5و 4/5 متری از ابتدای کانال در شکل - 5 - انواع حالات قرارگیری پرههای هادی مستغرق در بالادست سرریز مثلثی مشاهده میشود. نحوه قرارگیری این سرریز در کانال به صورتی است که پرههای هادی در بالادست جریان قرار میگیرند. شکل - - 6 نمونهای از نحوه قرارگیری پرهها را نشان میدهد.
