بخشی از مقاله
چکیده
فرایند اختلاط و رقیقسازی آلودگی نقش بسزایی بر کاهش آلودگی در آبهای سطحی دارا میباشد. ضریب اختلاط عرضی مهمترین عامل در تشخیص طول اختلاط کامل میباشد. استفاده از بلوکهای مثلثی مستغرق میتواند نقش موثری بر ضریب اختلاط عرضی و به تبع آن کاهش طول اختلاط داشته باشد. بدین منظور آزمایشهایی در یک کانال مستطیلی شکل به طول 12، عرض 0 /4 و عمق 0/6 متر صورت گرفته است.
در این آزمایشها بلوکهای مثلثی شکل با آرایشهای گوناگون در کف آن نصب گردیده است. جریان به صورت یکنواخت و با عمق 20 سانتیمتر میباشد که توسط یک دریچه کنترل که در پاییندست کانال وجود دارد تنظیم میگردد. پس از اطمینان از توسعه یافتگی جریان، محلول آب نمک با غلظتی مشخص به عنوان ماده ردیاب در سطح جریان تزریق گردیده، سپس در پاییندست نقطه تزریق غلظتها در سه مقطع و در هر مقطع 12 نقطه اندازهگیری گردید.
در ادامه ضریب اختلاط عرضی با استفاده از روابط ساده شده معادله بقای جرم و روش تبادل ممان محاسبه شد. نتایج حاصل از تجزیه تحلیل آزمایشگاهی مشخص میکند که وجود بلوک های مثلثی شکل باعث افزایش آشفتگی در جریانهای عرضی گردیده که این امر خود موجب بالا رفتن ضریب اختلاط عرضی شده و به تبع آن طول اختلاط کامل کاهش می یابد.
مقدمه
منابع محدود آب و افزایش جمعیت، همچنین صنعتی شدن جوامع، روند رو به رشد آلودگی را در آبهای سطحی جهان باعث شدهاند. تأمین آب سالم جهت شرب و استفاده از آب در بخش کشاورزی و صنعت یکی از دغدغههای پیش روی دولتها و دست اندرکاران این بخش خواهد بود. در حال حاضر آبهای سطحی و رودخانهها از اصلیترین منابع تولید آب مورد نیاز بشر میباشند.
رهاسازی آلودگیها و پسابهای بخش کشاورزی و صنعت، باعث به خطر افتادن این منابع شده، نیاز میباشد تا از فرآیندهای اختلاط و رقیقسازی آلودگی به عنوان یکی از راهحلهای موجود جهت بازیابی و امکان استفاده مجدد از این منابع استفاده شود.
طبیعت و رودخانه ها به خودی خود قدرت تصفیه و پاکسازی خود را از آلایندهها دارا میباشند، لیکن این عمل زمانبر و به صورت محدود صورت میگیرد، اگر رهاسازی آلایندهها زیادتر از توان آنها باشد خود را به صورت معزلی زیستمحیطی نشان داده، موجب از بین رفتن این منابع میگردند. در رودخانهها عواملی همچون آشفتگی ناشی از شکل بستر و وجود جریانهای ثانویه باعث ایجاد یک اغتشاش و خودپالایی عمومی در طول معینی از مسیر شده کهنسبتاً طولانی و مستلزم طی کردن مسافتی زیاد میباشد.
چنانچه مجبور به استفاده از آب این رودخانهها در صنعت و کشاورزی باشد، نیاز است تا با ایجاد جریانهای ثانویه و افزایش پخشیدگی ناشی از توربولانس، کاهش غلظت آلودگی در فاصله کمتری نسبت به قبل صورت گیرد. ضریب اختلاط عرضی مهمترین عامل در تشخیص طول اختلاط کامل میباشد. - طول اختلاط کامل مسافتی است که جریان در طول آن توانایی رقیقسازی وپخش کامل آلاینده را به صورت یکنواخت در سطح مقطع دارا میباشد - .
استفاده از بلوکهای مثلثی مستغرق میتوا ند نقش بسزایی بر ضریب اختلاط عرضی و به دنبال آن کاهش طول اختلاط داشته باشد. این ضریب به دلیل تفاوت در پروفیلهای سرعت در سه راستای اصلی دارای سه مقدار متفاوت در جهتهای مذکور میباشد و چون در راستای عرضی پروفیل سرعت مشخصی وجود ندارد در نتیجه برای تعیین آن باید به دادههای آزمایشگاهی روی آورد. محاسبات مربوط به سرعت انتشار مواد و غلظت آنها در کانالهای باز معمولا بر اساس معادلات ساده شده بقای جرم میباشند.
مطالعه بر روی ضریب اختلاط عرضی توسط افراد مختلفی انجام گرفته است. شاید اولین شخصی که در این رابطه به مطالعه پرداخت تیلور - 1921 - بود که با انجام آزمایشاتی در لولهها برای تعیین ضریب اختلاط طولی اقدام کرد. او مشخص کرد که تئوری فیک فقط در زمانهای طولانی بعد از تزریق برای تعادل سرعت برشی و ضریب پخش آشفته معتبر است.
الدر - 1959 - 1 و سپس سالیوان - 1968 - 2 با کار بر روی کانال مستطیل با بستر صاف ضریب بدون بعد اختلاط عرضی را برابر با 0/16 ارائه کردند. سپس فیشر - 1970 - 3 این ضریب را برابر با ̅ 0/24 برای یک کانال روباز در نظر گرفت.
یاتسوکورا4 و همکاران - 1970 - پخشیدگی رودامین را که به طور دائم در رودخانه میسوری تزریق میشد اندازهگیری کردند منبع آلودگی در خط مرکزی رودخانه قرار داشت. اندازهگیری به طول ده کیلومتر انجام شد، و ضریب بیبعد اختلاط عرضی برابر با 0/6 بدست آمد.
اوکویه - 1970 - 5 با کار بر روی نسبتهای عرض به عمق نشان داد که با افزایش عرض جریان نسبت به عمق بعد توربولانس افزایش یافته و باعث پراکندگی بیشتر میشود در نتیجه ضریب بیبعد اختلاط عرضی هم افزایش پیدا میکند او با آزمایشی بر روی یک منبع آلودگی ثابت و دائمی در یک کانال باز و نسبتهای مختلف عرض به عمق مقدار ضریب بی بعد اختلاط عرضی را برابر با 0/09 تا 0/235 اعلام کرد.
میلر و ریچاردسون - 1974 - 6 با انجام آزمایش بر روی کانال باز با نسبت عرض به عمق 4/67 مقدار ضریب بی بعد اختلاط عرضی را با توجه به فاکتور اصطکاک بین 0/18 تا 0/1 بدست آوردند. به دلیل کوچک بودن نسبت عرض به عمق جریان به صورت سه بعدی فرض شد.
میلر و ریچاردسون - 1974 - آزمایشاتی با بستر زبر با استفاده از گوههای چوبی و بلوکهای مستطیلی انجام دادند. آنها با استفاده از بلوکها در سرتاسر کانال به عنوان زبری و عامل اصطکاک و تأثیر آن بر ضریب بیبعد اختلاط عرضی نشان دادند که با افزایش اصطکاک ضریب بیبعد اختلاط عرضی نیز افزایش پیدا میکند.
لاء و کریشناپان - 1977 - با انجام یک سری آزمایشها بر روی یک کانال مستطیلی در رابطه با تأثیر ضریب اصطکاک و نسبت عرض به عمق به این نتیجه رسیدند که با افزایش زبری، مقدار ضریب اختلاط عرضی افزایش می یابد.
فیشر و همکاران - 1979 - برای اولین بار تأثیر پدیده اختلاط بر پخش و کاهش غلظت پسابها در رودخانهها را مطرح و نتایج کار خود را به اثبات رساندند.
کوتون7 و همکاران - 19780 - در تحقیق خود از ردامین - WT - به عنوان ردیاب استفاده کردند. آنها پارامتر بی بعد که همچون دیگر داده ها دارای مرتبه اول و دارای محدوده 0/15 تا 0/31 میباشد را معرفی کردند. در نهایت اعلام داشتند که ضریب اختلاط عرضی و پارامتر با دبی عبوری از آبراهه رابطه خطی داشته و با افزایش دبی هر دو پارامتر افزایش مییابند.
الکساندر 1 و همکاران - 1983 - یک روش برای محاسبه ضریب اختلاط عرضی در رودخانههای عریض و کمعمق ارائه کردند. آنها با فرض اینکه ضریب اختلاط عرضی پس از کامل شدن اختلاط عمقی صورت گرفته، با استفاده از یک روش اصلاح شده گشتاورها مقدار ضریب اختلاط عرضی بی بعد را برابر با 0/24 تا 4/65 برای این رودخانه اعلام کردند.
وبل2 و همکاران - 1984 - با تحقیق بر روی یک کانال مستطیلی مستقیم زبر و صاف اثر برخی از پارامترهای هندسی و دینامیکی بر ضریب اختلاط عرضی را بررسی کردند. آنها نشان دادند که در نسبتهای پایین طول به عرض، پخشیدگی تلاطمی بیشترین نقش بر ضریب اختلاط عرضی دارد. همچنین اعلام کردند که در اعداد فرود پایین بین ضریب اختلاط عرضی و عدد بیبعد فرود ارتباط وجود دارد. در کل چنین اعلام کردند که، وقتی آبراهه دارای پیچ و خم و یا تغییر در هندسه مقطع میشود جریانهای ثانویه هستند که نقش اساسی در ضریب اختلاط عرضی دارند. عدد اعلام شده ضریب اختلاط عرضی بین 0/13 تا 0/17 میباشد.
مگزین3 و همکاران - 1988 - با بررسی دو عامل مقاومت و انسداد که مؤثر بر ضریب اختلاط عرضی بدون بعد هستند، به این نتیجه رسیدند که خصوصیات پخش در کانالهایی که دارای بستری زبر هستند با کانالهایی که دارای دیوارهای زبر هستند مشابه است. همچنین دریافتند که با کاهش مقدار مقاومت و انسداد ضریب اختلاط عرضی افزایش مییابد.
چاو و بابا روتسی - 1988 - 4 تحقیقاتی روی توسعه عرضی لایههای اختلاط توربولانس در کانالهای روباز و با عمق کم انجام دادند. آنها اعلام کردند که ضرایب بدون بعد اختلاط عرضی در محدوده 0/1 تا 0/26 متغیر است.
رادرفورد - 1994 - 5 بر اساس دادههای صحرایی در شانزده رودخانه جهان مقادیر بیبعد ضریب اختلاط عرضی را برای کانالهای مستطیل مستقیم برابر با 0/13، کانالهای مارپیچ محدودهای حدود 0/3 تا 0/9 و برای کانالهای منحنی شکل محدودهای بین 1 تا 3 ارائه داد.
چاوو - 2000 - 6 تحقیقاتی در رابطه با ضریب اختلاط عرضی در یک کانال مستطیلی روباز تحت شرایط مختلف زبری بستر انجام داد. او نشان داد که ضریب اختلاط عرضی نسبت به سرعت برش و عمق جریان متغیر بوده، ولی بر خلاف سایر محققین اعلام کرد که ضریب اختلاط عرضی بدون بعد با زبریهای مختلف بستر تغییر نمیکند.
دنگ7 و همکاران - 2002 - با بررسی روی آبراهه در ایالات متحده مقدار ضریب اختلاط عرضی بدون بعد را در حدود 0/18 تا 0/9 ارائه دادند. در کانالهای طبیعی به ندرت سطح مقطع منظم بوده و عمق جریان یکنواخت نمیباشد که این خود باعث افزایش اختلاط میگرد.
بوکسال و گیمر - 2003 - 8 با اندازهگیریهای دقیقتر، تأثیر پیچ و خم کانال را بر ضریب اختلاط عرضی ارائه کردند.
