بخشی از مقاله
خلاصه
جریان آب در بسیاری از مواقع از بین تعدادی از موانع در مجاری روباز عبور می نماید. موانع مورد نظر عملا ممکن است با پایه های پل، پایه های اسکله، وجود گیاهان و درختان در بستر رودخانه و غیره شکل بگیرد. بر اثر عبور سیال از بین این موانع استوانه ای، در پائین دست موانع ورتکس ایجاد می شود، که این ورتکسها نیروهای تناوبی به استوانه وارد می کند و متقابلا از استوانه نیرویی به سیال وارد می شود.
در شرایط خاصی که فرکانس طبیعی موج با فرکانس نیروی ورتکس با یکدیگر برابر می شود، حالت تشدید بوجود آمده و امواج با حداکثر دامنه رخ می دهد. آزمایشات این تحقیق در فلومی به طول 6 متر، عرض 72 سانتی متر و ارتفاع 60 سانتی متر صورت پذیرفت و استوانه های چوبی در کف فلوم نصب گردید.
هدف اصلی از انجام این تحقیق بررسی تاثیر تعداد ردیف موانع بر روی دامنه نسبی موج عرضی ناشی از ورتکس موانع بود. جهت بررسی این موضوع، با ثابت نگه داشتن سایر پارامترها، با استفاده از دریچه انتهایی فلوم، عمق جریان کاهش یافت تا شرایط تشدید بوجود آمده و موج با حداکثر دامنه ایجاد شود. سپس با ثابت نگه داشتن عمق جریان، تعداد ردیف موانع کاهش داده شد. با کاهش در تعداد ردیف موانع تا حدی، دامنه نسبی موج عرضی تغییر قابل ملاحظه ای نداشت ولی با کاهش در تعداد ردیف از یک حد مشخص، دامنه نسبی موج تغییر قابل توجهی پیدا نمود. در انتها رابطه ای بین دامنه نسبی موج و تعداد ردیف موانع، برای محدوده هایی که تعداد ردیف تاثیر گذار است، ارائه شده است.
1. مقدمه
در جریان های داخلی - جریان در مجاری روبسته - و خارجی - جریان در مجاری روباز - سیالات، با عبور سیال از پیرامون موانعی که در مسیر جریان قرار گرفته اند، در لبه ابتدایی موانع لایه مرزی شکل می گیرد. پس از جدایی خطوط جریان، در ناحیه پایین دست موانع، ورتکس ایجاد می گردد. در شکل شماره - 1 - نمای شماتیک از تشکیل ورتکس در پائین دست مانع استوانه ای نشان داده شده است. زمانیکه ورتکس ها بطور متناوب در دو سمت مانع ایجاد می شود، نیروهای متناوبی روی جسم ایجاد می گردد، که این نیروها متقابلا از مانع به سیال وارد می شود.
شکل - 1 نمای شماتیک از تشکیل ورتکس در پائین دست مانع استوانه ای
بر اساس مطالعات لینهارد ورتکس زمانی اتفاق می افتد که عدد رینولدز موانع ، UD / در دو بازه 40 Re 3 105 یا 3.5 106 Re قرار می گیرد. در عدد رینولدز موانع ، U سرعت متوسط جریان ، D قطر موانع و لزجت سینماتیک جریان است .
چنانچه مجموعه ای از موانع استوانه ای بصورت عمود بر مسیر جریان نصب شوند، از همپوشانی ورتکس ایجاد شده از موانع، امواج سطحی که راستای انتشارشان عمود بر جهت جریان آب است، تشکیل می شود. این امواج عمود بر جریان بصورت امواج عرضی، خطی - با دامنه کم - و ایستا طبقه بندی می شود. شرایط تشدید، در حالت تشکیل امواج عمود بر جریان با حداکثر دامنه رخ می دهد.
رابطه زیر برای محاسبه فرکانس ورتکسها از یک طرف استوانه استفاده می شود :
در رابطه بالا U سرعت جریان آزاد، fs فرکانس ورتکس و S عدد استروهال است که تابعی از عدد رینولدز استوانه ها می باشد.فیتز هاف ادعا کرد که برای اعداد رینولدز استوانه بین 300 تا 300000، در حالتی که یک استوانه وجود داشته باشد، عدد استروهال حدود 0/2 می باشد. برای یک گروه از استوانه ها مقدار عدد استروهال به آرایش، قطر و فاصله قرارگیری استوانه ها از یکدیگر بستگی دارد
دین و دالریمپل با استفاده از تئوری امواج کم دامنه نشان دادند که طول موج - L - ، دوره تناوب موج - T - ، شتاب جاذبه زمین - g - و عمق جریان - H - با یکدیگر ارتباط دارند .[4] با توجه به اینکه فرکانس موج عکس دوره تناوب است، می توانیم برای تخمین فرکانس موج از رابطه زیر استفاده نمائیم
اگر فرکانس نیروی تناوبی ناشی از ورتکس موانع - fs - با فرکانس طبیعی نوسان امواج آب - f - برابر گردد، حالت تشدید بوجود آمده و امواج با حداکثر دامنه بوجود می آید.
اولین بار تاثیر متقابل جریان و سازه بر روی یکدیگر بر اثر پدیده خرابی پل تاکوماناروز مورد توجه قرار گرفت. این خرابی بسیار چشمگیر بود و دلیل آن عبور جریان هوا از بین دسته های پل و تولید ورتکس بود. تحقیقات بسیار پرهزینه ای درباره ورتکس پشت موانع بر اثر عبور سیال در زمینه حالت تشدید صوتی صورت گرفته که در آنها انرژی صدایی با دامنه بالا در مجاری بسته تولید شده است .در مقابل آن، تحقیقات در این رابطه، زمانی که سیال مورد نظر آب بوده و جریان روباز وجود داشته کمتر بوده است.
استون و استون و شن در موقعی که در حال آزمایش بر روی شبیه سازی زبری توسط موانع چوبی واقع در کف کانال بودند، متوجه وجود نوسانات شدید در بعضی از آزمایشات شدند. این آزمایشات درباره افت انرژی جریان بود و سیال مورد آزمایش آب بود. همچنین مزاحمت های سطحی شبیه موج در هنگام مطالعات بر روی مدل هیدرولیکی در موقع عبور جریان کانال از بین موانع یا ساقه های عمودی توسط توجیموتو [ 8 ] و توجیموتو و کیتامورا مشاهده گردید. مطالعات توجیموتو در فلوم با طول 12 متر و عرض 0/4 متر صورت گرفت. 30 درصد از عرض 0/4 متری فلوم بوسیله ساقه های بامبو به قطر 1/2 میلیمتر پوشانده شده بود.
زیما و همکاران [5] تحقیقاتی را در دبی ثابت و با دو قطر مختلف انجام دادند که به دلیل محدود بودن آزمایشات و عرض فلوم، تنها امواج نوع 1 و 2 مشاهده شده و در نهایت رابطه زیر را برای محاسبه حداکثر دامنه نسبی امواج ارائه نمودند:
در این رابطه k مقدار ثابت برابر با 2/255، A دامنه موج، H عمق جریان، P فاصله بین ردیفهای موانع، D قطر استوانه، b عرض کانال، N تعداد استوانه ها در یک ردیف و S عدد استروهال می باشد.
قمشی و همکاران [1] نشان دادند که برای T - T/D>5 فاصله موانع در یک ردیف - با کاهش در مقدار T/D، دامنه موج افزایش می یابد ولی برای T/D<5، با کاهش در مقدار T/D، دامنه موج کاهش می یابد. ضمنا برای P/D> 4/3، با کاهش در مقدار P/D، دامنه موج افزایش می یابد. این آزمایشات با موانع به قطر ثابت صورت گرفت و به دلیل محدود بودن آزمایشات تنها چهار نوع موج مشاهده گردید.
جعفری و همکاران [10] در تحقیقی آزمایشگاهی با استفاده از موانع با قطرهای مختلف - سه قطر - ، ده نوع موج را در فلوم آزمایشگاهی مشاهده نمودند. در گزارشات قبلی توسط سایر محققین، حداکثر چهار نوع موج گزارش شده بود. در این تحقیق دبی جریان نیز متغیر بود و این ده نوع موج عرضی ناشی از ورتکس موانع استوانه ای، مورد بررسی و تجزیه وتحلیل قرار گرفت و پارامترهای هیدرولیکی آنها با یکدیگر مقایسه شد.
جعفری و همکاران [11] در مقاله ای دیگر دامنه ده نوع موج عرضی را مورد بررسی قرار دادند و رابطه ای برای محاسبه حداکثر دامنه نسبی امواج عرضی ناشی از ورتکس در جریان آزاد بر روی موانع ارائه نمودند. این رابطه به صورت زیر می باشد:
در این رابطه K مقدار ثابت است که برای آرایشهای موازی و زیگزاگی موانع تقریبا برابر 0/68 بوده و نیز طول موج می باشد.
جعفری و همکاران [12] در مقاله ای دیگر تشکیل امواج در حالت جریان مستغرق بر روی موانع را گزارش نمودند. در گزارشات قبلی در حالت جریان مستغرق موجی مشاهده نشده بود ولی با توجه به وسعت آزمایشات در این تحقیق در برخی حالات با وجود جریان مستغرق، باز هم امواج عرضی تشکیل گردید. در این مقاله دامنه امواج در حالات مستغرق و آزاد مورد بررسی قرار گرفت و رابطه ای جهت محاسبه دامنه امواج ارائه گردید.
3. آزمایشات
آزمایشات این تحقیق در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز صورت پذیرفت. فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده طولی برابر با 6 متر، عرض 72 سانتی متر و ارتفاع 60 سانتی متر را دارا بود. نمای شماتیک فلوم در شکل 2 نشان داده شده است. جهت تنظیم دبی از یک فلومتر دیجیتالی در ابتدای سیستم ورودی استفاده شد. دریچه کشویی جهت تنظیم ارتفاع آب برای تشکیل امواج مختلف در پایین دست فلوم وجود داشت
شکل - 2 فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده در آزمایشات تحقیق
شکل - 3 : دریچه کشویی در انتهای فلوم و - ب - : استوانه های چوبی در کف فلوم
