بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای لبهپهن سازههای هیدرولیکی ساده و کم هزینهای هستند که برای کنترل سطح آب و اندازهگیری دبی جریان در اغلب شبکههای آبیاری و زهکشی به کار میروند. در این تحقیق با استفاده از مدل آزمایشگاهی تاثیر انحنای پیشانی بالادست سرریز لبهپهن با مقطع طولی ذوزنقه بر ضریب دبی و موقعیت مقطع کنترل جریان مورد بررسی قرار گرفت. در کل چهار شعاع انحنای مختلف برای سرریز در نظر گرفته شد و نتایج با حالتی که پیشانی بالادست لبهتیز بود مورد مقایسه قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با تغییر وضعیت پیشانی سرریز از حالت لبه تیز به شعاع انحنای یک متر، مقدار ضریب دبی 3/5 درصد افزایش یافت و مقطع کنترل به سمت پاییندست تاج جابجا شد. همچنین با افزایش شعاع انحنای پیشانی، میزان پایینافتادگی سطح آب در محل ورود جریان به سرریز کاهش یافته و جداشدگی خطوط جریان در پیشانی بالادست سرریز رخ نداد.
-1 مقدمه
اگرچه روشها و به تبع آن سازههای مختلفی برای سنجش جریان در مجاری مختلف ارائه شده است ولی به طور کلی چارچوب مشخص و سادهای که توسط آن بتوان مناسبترین روش اندازهگیری جریان را انتخاب نمود، هنوز معرفی نشده است. لیکن توجه به عوامل محیطی و منطقه-ای، خصوصیات ژئوتکنیکی خاک محل اندازهگیری، عوامل زیست محیطی، وجود امکانات و تجهیزات مورد نیاز، پارامترهای هیدرولیکی، میزان دقت مورد نیاز در اندازهگیری جریان، میزان رسوب موجود در جریان و تاثیر آن بر سازه، شیب آبراهه، سرعت جریان و... میتواند در انتخاب روش مناسب برای اندازهگیری جریان کارگشا باشد.
استفاده از سرریزهای لبهپهن با توجه به مزایایی نظیر مشخصات هندسی ساده، هزینه ساخت و بهرهبرداری کم و دقت قابل قبول در سنجش دبی مورد توجه مهندسین است و کاربرد آنها در شبکه کانالهای انتقال و توزیع آب اغلب غیر قابل اجتناب است. سرریزهای لبهپهن با مقطع طولی ذوزنقه بدلیل عبور یکنواختتر جریان از روی خود و بالاتر بودن ضریب دبی نسبت به سرریزهای لبهپهن مستطیلی استاندارد دارای مزایایی میباشند که استفاده از آنها را توجیهپذیر میکند. در تحقیق حاضر، تاثیر شعاع انحنای پیشانی بالادست این نوع سرریز بر روی ضریب دبی، موقعیت مقطع کنترل و میزان پایین افتادگی سطح آب مورد بررسی قرار گرفت.
-2 پیشینه پژوهش
مشخصههای جریان روی سرریزهای لبهپهن مورد بررسی زیادی قرار گرفت - باس، 1989؛ هاگر و اسچوالت، . - 1994 رامامورتی و همکاران - - 1998 تاثیر گردشدگی در پیشانی بالادست سرریز مستطیلی لبهپهن را در دو حالت جریان آزاد و مستغرق روی مشخصههای جریان و ضریب دبی مورد بررسی قرار دادند و مشاهده نمودند که به دلیل گردشدگی در بالادست، میزان جداشدگی در محل ورود جریان به سرریز کاهش یافته و ضریب دبی افزایش مییابد. همچنین شعاعهای گردشدگی بزرگتر تاثیر کمتری بر روی ضریب دبی دارند.
آنها نهایتا سرریزها را بر اساس نسبت R تقسیمبندی کردند - R شعاع گردشدگی پیشانی بالادست و P ارتفاع سرریز میباشد - و ضریب دبی آنها را به صورت تابعی از انرژی آب در بالادست - H - و میزان شعاع گردشدگی ارائه کردند.
فریتز و هاگر - 1998 - جریان عبوری از روی سرریزهای لبهپهن با مقطع طولی ذوزنقهای را در دو حالت جریان آزاد و مستغرق مورد مطالعه قرار دادند و نشان دادند که با افزایش طول تاج سرریز حد استغراق افزایش یافته و ضریب دبی سرریز کاهش مییابد.
سارجیسون و پرسی - - 2009 با تحقیق بیشتر روی سرریزهای لبهپهن با مقطع طولی ذوزنقهای، به این نتیجه رسیدند که شیب وجه بالادست نیز بر ضریب دبی سرریز تاثیر دارد.
حمیدیفر و همکاران - - 1387 به بررسی آزمایشگاهی تأثیر شیب وجه بالادست در سرریز لبهپهن مستطیلی بر روی ضریب دبی و موقعیت عمق بحرانی پرداختند و معادلاتی برای تعیین ضریب دبی در سرریز لبهپهن با وجه بالادست شیبدار ارائه نمودند.
-3 تجهیزات آزمایشگاهی
آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز انجام شد. تجهیزات مورد استفاده در آزمایشها که مهمترین آنها در شکل 1 نشان داده شده است شامل: سیستم تامین آب که شامل یک پمپ بود که آب را از مخزن اصلی به مخزن هوایی پمپاژ میکرد، فلوم آزمایشگاهی به طول 10 متر، عرض 0/25 متر و ارتفاع 0/50 متر از جنس فلز با دیوارههای شیشهای، سیستم اندازهگیری جریان که یک سرریز مثلثی بود که در انتهای فلوم تعبیه شده بود، سطحسنج برای اندازهگیری سطح یا عمق آب، سرریز با مقطع طولی ذوزنقه که از جنس پلیاتیلن بوده و عرض و ارتفاع آن 0/25 متر و طول تاج - - L آن 0/50 متر انتخاب گردید.
شیب وجه بالادست و پاییندست در همه آزمایشها ثابت و برابر با 27 درجه بود. برای ایجاد انحنا در پیشانی سرریز از مدلهای چوبی استفاده شد. در مجموع 4 شعاع انحنای - - Ruبرابر با 0/25، 0/50، 0/75 و 1 متر برای پیشانی سرریز در نظر گرفته شد و نتایج آنها با حالتی که پیشانی بالادست لبهتیز بود - - Ru=0 مورد مقایسه قرار گرفت.
شکل -1 بالا: نمای شماتیک سیستم گردش آب وسط: مدلهای آزمایشگاهی پایین: مخزن هوایی، فلوم، سریز مثلثی
-4 روش انجام آزمایشها
پس از نصب مدل در محل مورد نظر و انجام عملیات تراز و آببندی، پمپ را روشن کرده و به آرامی شیر کنترل دبی را که بعد از پمپ قرار دارد باز نموده و بعد از ایجاد جریان یکنواخت در فلوم، عمق آب در بالادست سرریز در سطح مورد نطر ثابت نگه داشته شد و میزان دبی عبوری اندازه-گیری شد. محدوده دبی در این آزمایشها بین 5 تا20 لیتر در ثانیه متغیر بود و در این فاصله آزمایشهای متعددی صورت گرفت و اندازهگیریهای لازم انجام شد.
-5 تحلیل ابعادی
شکل 2 وضعیت جریان را هنگام عبور از روی سرریز با مقطع طولی ذوزنقه نشان میدهد. عوامل موثر بر محاسبه جریان در این سرریزها شامل: H0 بار کل، g شتاب ثقل، جرم مخصوص آب، ʽ لزجت دینامیکی، کشش سطحی، L طول سرریز در جهت جریان، B عرض سرریز، Z ارتفاع سرریز، زاویه شیب وجه بالادست سرریز و زاویه شیب وجه پاییندست سرریز، Ru شعاع انحنای پیشانی بالادست سرریز میباشند. مطابق تئوری باکینگهام داریم:
شکل-2 پارامترهای هندسی سرریز با مقطع طولی ذوزنقه و وضعیت جریان هنگام عبور از روی آن
با توجه به قواعد بیبعدسازی، ترکیب این پارامترها میتواند خود به عنوان یک پارامتر بیبعد مطرح شود. مثلا از تقسیم پارامتر Ru/H0 بر L/H0، پارامتر بیبعد Ru/L حاصل میشود که میتواند در تجزیه و تحلیل نتایج مورد استفاده قرار گیرد. در این آزمایشها مقدار Z، L، B و و در تمام آزمایشات ثابت در نظر گرفته شده است. همچنین حداقل عمق جریان بر روی سرریز 5 سانتیمتر در نظر گرفته شد تا تاثیر کشش سطحی بر روی جریان ناچیز باشد
