بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثير عمق پاياب بر حداکثرعمق حفرة آبشستگي ايجاد شده توسط جتهاي ديواره اي
خلاصه
از آنجا که ايجاد حفرة آبشستگي امکان ناپايداري سازة اطراف حفره را تشديد مي کند، يکي از مهمترين موضوعات تحقيقاتي که در علم هيدروليک مطرح است ،آبشستگي ايجاد شده توسط جريان عبوري از اطراف سازه هاي هيدروليکي است . جتهاي ديواره اي نوعي از جتها مي باشند که با عبور يک جريان با سرعت زياداز باز شدگي دريچه و تبادل مومنتم با سيال اطراف خود گسترش مي يابند، اين جتها از يک جهت با سطح صلب (ديوار) در ارتباط مي باشند. عبور اين نوع جريان باعث ايجاد آبشستگي در منطقۀبعد از دريچه خواهد شد.
تحقيقات زيادي در گذشته در مورداثر پارامترهاي مختلف بر ابعاد حفرة آبشستگي ايجاد شده توسط جتهاي ديواره اي انجام شده است . تحقيقـات گذشته نشان از وجود ابهام در ارتباط با نحوة اثر عمق پاياب برابعاد حفرة آبشستگي دارد. در تحقيق حاضر با اسـتفاده از نتـايج آزمايشـگاهي سـه منبع مختلف از داده هاي آزمايشگاهي به بررسي کاملتر اثر عمق پاياب بر ابعادحفرة آبشستگي پرداخته شده اسـت و مقـداري حـدي بـراي عمـق نسبي پاياب ارايه شده است . زماني که عمق نسبي پاياب کمتر از مقدار حدي آن باشد حداکثر عمق حفرة آبشسـتگي افـزايش و زمـاني کـه عمـق نسبي پاياب بيشتر از مقدار حدي آن باشد حداکثر عمق حفرة آبشستگي کاهش مي يابد.
کلمات کليدي: آبشستگي، جت ديواره اي، عمق پاياب ، مطالعۀآزمايشگاهي
مقدمه
جتها بر اساس محل قرار گيري روزنۀخروجي جت نسبت به سطح آب و کف کانال به سه دستۀجتهاي آزاد، جتهاي آفست و جتهاي ديـواره اي تقسـيم مي شوند. در صورتيکه روزنۀجت در درون پاياب قرار داشته باشد جت از نوع مستغرق و در غير اين صورت جت را غير مستغرق مي گويند.
در گذشته تحقيقات بسيار زيادي درمورد ابعاد حفرة آبشستگي ايجاد شده توسط انواع جتهـا انجـام شـده اسـت . بسـياري از ايـن مطالعـات بـر مبنـاي تحقيقات آزمايشگاهي مي باشد. از جملۀتحقيقـات انجـام شـده در مـورد آبشسـتگي ايجـاد شـده توسـط جتهـاي ديـواره اي مـي تـوان بـه تحقيقـات Rajaratnam and Berry(1977), Chatarajee and Ghosh(1980), Rajaratnam and Macdougall(1983), Ali and Lim(1986), Ali and SalehiNeyshaboury(1991), Lim(1995), Balachandar and Kells(1997), Aderibigbe and (٢٠٠٥)Sarkar and Dey ,(٢٠٠٣)Ahsan ,(٢٠٠٠)Balachandar et al ,(١٩٩٨)Ade and Rajaratnam ,(١٩٩٨)Rajaratnam اشاره کرد.
(١٩٧٧)Rajaratnam and Berry ميزان آبشستگي ايجاد شده توسط جتهاي ديواره اي دايره اي را بررسي کردند.بر طبق نظـر ايـن محققـين اثـر عدد فرود پايه مصالح که در آن u٠: سرعت جـت خروجـي، ρ∆:اخـتلاف چگـالي بـين مصـالح و رسـوب ، d٥٠: قطـر متوسط مصالح وg: شتاب ثقل زمين مي باشد بر ابعاد حفرة آبشستگي ايجاد شده بسيار مهم مـي باشـد.(١٩٨٠)Chatterjee and Ghosh از لولـۀ پيتوت براي اندازه گيري سرعت جريان در درون حفرة آبشستگي استفاده کردند وتغييرات ابعاد حفرة آبشستگي را در شرايطي که عمـق پايـاب ٥برابـر باز شدگي دريچه مي باشد، گزارش کردند. اين محققين تغييرات تنش برشي وارد بر کف را در محل حـداکثر عمـق آبشسـتگي ارايـه دادنـد. Ali and (١٩٨٦) Lim اثر تغيير عمق پاياب را بر ابعادحفرة آبشستگي بررسي کردند. بر طبق نظر اين محققين مقداري حدي براي عمق پايـاب وجـود دارد کـه در صورتيکه عمق پاياب از اين مقدار حدي بيشترو يا کمتر شود،حداکثر عمق حفرة آبشستگي افزايش مي يابد. مقدار عمق پاياب حدي با افزايش عـدد فرود پايۀمصالح افزايش مي يابد.تحقيقات (٢٠٠٦) Dey and Sarkar , (٢٠٠٧)Faruque نيز که در مـورد جتهـاي ديـواره اي دوبعـدي عبـوري از روي اپرون و جتهاي ديواره اي سه بعدي بدون اپرون انجام گرفته است نيز وجود چنين حدي را تاييد مي کنداگر چـه کـه تفـاوت بسـيار زيـادي بـين حدود ارايه شده توسط اين محققين وجود دارد.تحقيق (٢٠٠١)Day et al در مورد اثر عمق پاياب بر حداکثر عمق حفرة آبشستگي ايجاد شده در اثـر جريان عبوري از درون کالورت نشان مي دهد در حالي که نسبت عمق پاياب به باز شدگي دريچه از٠/٥تا ٢افزايش يابد حداکثر عمق حفـرة آبشسـتگي کاهش مي يابد.(١٩٩٥)Lim اثر عرض کانال بر ابعاد حفرة آبشستگي را بررسي کرد. برطبق تحقيقات (١٩٩٥)Lim در صورتيکه نسـبت عـرض کانـال بر ميزان بازشدگي دريچه از ١٠بيشتر باشدبا تغيير عرض کانال ابعاد حفرة آبشستگي تغيير چنداني نخواهـد کـرد. تحقيقـات بسـياري بـا فـرض ثابـت ماندن ابعاد حفرة آبشستگي بعد از رسيدن به زمان تعادل ابعاد حفره انجام شده اسـت .تحقيقـات جديـدتر(١٩٩٧)Balachandar and Kells نشـان مي دهد که ابعاد حفرة آبشستگي بعد گذشت ٤يا ٥روزاز شروع آزمايشات بـه شـرايط تعـادل نخواهـد رسـيد.بـر طبـق نظـر Balachandar and (١٩٩٧)Kells و همچنين (١٩٩٨)Aderibigbe and Rajaratnam فرآيندي چرخشي که باعث پر و خالي شدن حفرة آبشستگي مي شود موجب مي شود که ابعاد حفرة آبشستگي به شرايط تعادل نرسد.
(٢٠٠٠)Balachandar et al با استفاده از تکنيک عکس برداري ويدئويي فرآيند زماني آبشستگي ايجاد شده توسط جتهاي ديواره اي را بررسي کـرده وبا اندازه گيري سرعت در درون حفرة آبشستگي به اين نتيجه رسيدند که در شرايطي که حفرة آبشستگي در حال پر شدن است ، مسير حرکـت جريـان جت به سمت سطح آب مي باشد و در شرايطي که حفره در حال فرسايش مي باشد جهت حرکت جريان بسمت کف حفره مي باشد.
تحقيقات (٢٠٠٣)Ahsan نيز نشان مي دهد که تغييرچنداني بين پروفيل آبشستگي برداشت شده در شـرايط اسـتاتيکي و دينـاميکي وجـود نـدارد و ناپايداري ايجاد شده در ابعاد حفرة آبشستگي براي شرايط که y اختلاف بين عمق پاياب و حداکثر ارتفاع برآمدگي مـي باشـد
y2وy٢ عمق پاياب مي باشد، اتفاق مي افتد.
در مقالۀحاضر با توجه به وجودابهاماتي که درمورد اثر عمق پاياب بر حداکثر عمق حفرة آبشسـتگي وجـود دارد بـا توجـه بـه داده هـاي آزمايشـگاهي موجود به بررسي کاملتر اثر اين پارامتر خواهيم پرداخت .
آناليز ابعادي
شکل (١) بصورت شماتيک حفرة آبشستگي ايجاد شده در اثر جتهاي ديواره اي را نشان مي دهد.
شکل ١-شکل شماتيک از حفرة آبشستگي تشکيل شده توسط جتهاي ديواره اي
پارامترهاي بسيار زيادي بر حداکثر عمق حفرة آبشستگي ايجاد شده توسط جتهاي ديواره اي تاثير دارند که شامل : سرعت جت خروجي از روزنه u، ميزان بازشدگي روزنه b، عمق پاياب yt، ميانگين قطر مصالح موجودd٥٠، شتاب ثقل g، چگالي مصالح ρs و چگالي سيال ρ مي باشند. با توجه به پارامترهاي معرفي شده :
با توجه به آناليز ابعادي مي توان رابطۀ ١را بصورت رابطۀ ٢بازنويسي کرد.
با ترکيب پارامترهاي بي بعد شدة معرفي شده در رابطۀ ٢مي توان رابطۀساده شدة ٣را بدست آورد.
که می باشد.
اثر عمق پاياب بر حداکثر عمق آبشستگي
همانطور که قبلا نيز اشاره شد ابهاماتي در مورد اثر عمق پاياب بر عمق حداکثر آبشستگي وجود دارد. به منظور بررسي کاملتر اثر عمق پايـاب داده هـاي آزمايشگاهي بدست آمده توسط محققين مختلف جمع آوري و تجزيه و تحليل آنها انجام شده است . پارامترهاي مورد مطالعه در اين آزمايشـات عبارتنـد از : سرعت جت خروجي، عمق پاياب ،قطر مصالح بستر و بازشدگي دريچه (ضخامت جت ).
براي بررسي اثر عمق پاياب بر حداکثر عمق حفرة آبشستگي از سه منبع تحقيقاتي مختلف براي استخراج نمودارهاي مربوط استفاده شده است . محـدودة تغيير هر کدام از پارامترها در جدول ١آورده شده است .
(١٩٨٣)Rajaratnam and Macdougall مقايسه اي بين حداکثر عمق حفرة آبشستگي ايجاد شده در شرايط انجام داده انـد
و افزايش عمق حفرة آبشستگي را با افزايش عمق پاياب گزارش کرده اند.داده هاي مورد استفاده براي شـرايط مربـوط بـه تحقيـق (١٩٨١)
Rajaratnam مي باشد.تحقيقات انجام شده توسط (٢٠٠٣)Ahsan نيز افزايش حداکثر عمق آبشستگي به ازاي افزايش افزايش عمـق پايـاب را بـراي شرايطي تاييد مي کند. شکل (٢) نمونه اي از اثر عمق پاياب بر حداکثر عمق آبشسـتگي را بـراي شـرايط را نشان مي دهد. چنانچه از اين شکل مشخص است با افزايش عمق پاياب حداکثر عمق حفرة آبشستگي افزايش مي يابد. نمونه اي ديگر از اثر عمق پايـاب بر حداکثر عمق آبشستگي براي در شکل (٣) نشان داده شده است . اين شکل بر خـلاف شـکل (٢) نشـان مـي دهد که با افزايش عمق پاياب ، عمق آبشستگي کاهش مي يابد. با بررسي مجدد داده هاي بدست آمده از تحقيقات (٢٠٠٣)Ahsan مشخص شـد کـه در شرايطي ديگر با افزايش ميزان پاياب مقدار حداکثر عمق حفرة آبشستگي کاهش يافته است (شکل ٣).
با توجه به شکلهاي (٢و٣) مي توان نتيجه گرفت که اثر پاياب بر ميزان حداکثر عمق آبشستگي ايجاد شده در اثر جتهـاي ديـواره اي اثـري دوگانـه دارد.
بررسي نتايج آزمايشگاهي نشان داد که پارامتر yt نقش مهمي در حداکثر عمق حفرة آبشسـتگي دارد بـه ايـن ترتيـب کـه افـزايش عمـق پايـاب در شرايطي خاص ميزان حداکثر عمق حفرة آبشستگي را افزايش داده ودر شرايطي ديگر کاهش مي دهد.
با توجه به آناليز ابعادي ارايه شده در قسمت ٢مي توان در شرايط بي بعد تغييرات حداکثر عمق آبشستگي را با تغيير عمق پاياب بررسي کرد. اثر yt بر ميزان ybs با توجه به مقادير مختلف Frd در شکل (٤) نمايش داده شده است . اين شکل نشان مي دهد که براي مقادير Frd در ابتدا با افزايش
