بخشی از مقاله
خلاصه
پرش هیدرولیکی متداولترین روش جهت استهلاک انرژی جنبشی آب در پاییندست سرریزها، شوتها و دریچهها میباشد. در تحقیق حاضر، خصوصیات پرش هیدرولیکی بر روی شکل جدیدی از بستر زبر با زبریهای نیم استوانهای شکل با 3 ارتفاع به همراه چهار فاصله مختلف بین زبریها در محدوده اعداد فرود 4/6 تا 7/3 مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد در مقایسه با پرش هیدرولیکی بر روی بستر صاف، عمق مزدوج نسبی بطور متوسط 25/35 درصد کاهش و افت انرژی بطور متوسط 18 درصد افزایش مییابد.
-1 مقدمه
پرش هیدرولیکی یکی از مهمترین پدیدهها در جریان متغیر سریع است که مورد توجه مهندسین هیدرولیک میباشد. این پدیده به منظور استهلاک انرژی ناشی از سرعت زیاد در جریانهای فوق بحرانی، در پاییندست سازههایی نظیر سدها، تندآبها، آبشارها و دریچهها، به منظور حفاظت پاییندست حوضچه آرامش مورد استفاده قرار میگیرد.
تلاش محققین همواره بر ایجاد تمهیداتی در محل وقوع پرش بوده است که بتوانند عمق ثانویه و طول پرش را کاهش دهند تا ساخت حوضچه آرامش صرفهجویی اقتصادی به همراه داشته باشد. از جمله میتوان به بسترهای زبر اشاره کرد. به بستری که سطح آن از ناهمواریهای منظم و یا نامنظم تشکیل شده است، بستر زبر گفته میشود. زبری کف حوضچه به شیوههای مختلفی ایجاد میشودکه میتواند بصورت سنگچین، موجهای سینوسی، ذوزنقهای، مستطیلی، مثلثی و نیم استوانه در عرض کانال باشد.
در زمینه پرش هیدرولیکی بر روی بستر زبر مطالعاتی توسط محققین مختلف انجام گرفته است. اید و راجاراتنام - 2002 - به دلیل ایجاد کاویتاسیون در زبریهای کف، بسترهای موج دار را پیشنهاد کردند. آنها پرش هیدرولیکی بر روی بستر موج دار سینوسی شکل را در بازه عدد فرود 4 تا 10 بررسی کردند و نتایج آنها نشان داد که عمق پایاب مورد نیاز برای تشکیل پرش بر روی بستر موجدار نسبت به بستر صاف کمتر است.
توکیای - 2005 - اثرات بستر موج دار را بر روی پرش هیدرولیکی بصورت تجربی در محدوده اعداد فرود 5 تا 12 بررسی نمود. وی نسبت عمق مزدوج را تابعی از عدد فرود اولیه ارائه کرد. نتایج این تحقیق نشان داد که عمق مزدوج نسبی 20 درصد نسبت به پرش کلاسیک کاهش مییابد.
ایزدجو و همکاران - 2007 - پرش هیدرولیکی را بر روی چهار بستر موج دار ذوزنقه ای شکل در بازه عدد فرود 4 تا 12مورد بررسی قرار داد. بر اساس نتایج بدست آمده که عمق پایاب مورد نیاز جهت ایجاد پرش هیدرولیکی روی بسترهای موج دار کمتر از عمق پایاب مربوط به پرش هیدرولیکی مشابه بر روی بسترهای صاف میباشد.
عباسپور و همکاران - 2009 - پرش هیدرولیکی بر روی بستر موج دار را بر روی شش نوع بستر موج دار در محدوده اعداد فرود 3/8 تا 8/6 بصورت تجربی بررسی کردند. نتایج نشان داد که در این تحقیق عمق ثانویه نسبت به بستر صاف در شرایط هیدرولیکی یکسان کوچکتر است. بررسی نیروی برشی و ضریب تنش برشی در پرش هیدرولیکی نشان داد که تنش برشی در بستر موج دار حداقل 10 برابر بستر صاف است.
خصوصیات پرش هیدرولیکی بر روی بسترهای با زبریهای نواری مستطیلی در محدوده اعداد فرود 3 تا 10 توسط گوهری و فرهودی - 2009 - مورد مطالعه قرار گرفت. بر اساس نتایج این تحقیق، با افزایش فاصله بین زبریها عمق ثانویه پرش کاهش مییابد. همچنین تغییر ارتفاع زبری-ها اثر چندانی بر روی مشخصات پرش هیدرولیکی ندارد. ضریب تنش برشی کف بر روی بسترهای زبر در حدود 9 برابر بستر صاف میباشد.
شفاعی و نیسی - 1388 - اثر اجزای زبر با شکلهای مختلف بر تنش برشی بستر و عمق مزدوج پرش هیدرولیکی را در محدوده اعداد فرود 4/5 تا 12 بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان داد که عمق مزدوج به دلیل وجود اجزای زبر کاهش مییابد. میزان این کاهش بستگی به عدد فرود و شکل اجزای زبر دارد. کمترین و بیشترین میزان کاهش عمق مزدوج - D - بهترتیب مربوط به اجزای زبرمستطیلی - D=0/21 - و مثلثی شکل - D=0/27 - بود.
درتحقیق تجربی انجام شده توسط راور و همکاران - 1390 - ، مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش با بستر زبر شامل زبریهایی با نوارهای ذوزنقهای قائم در محدوده اعداد فرود 4 تا 13/7 با سه ارتفاع - t - و 4 فاصله مختلف - s - بین زبریها مورد بررسی قرار گرفت. مقدار طول بی-بعد پرش هیدرولیکی - Lj/y2* - مستقل از عدد فرود و برابر 3/5 بدست آمد. مشاهدات بیانگر آن بود که افزایش ارتفاع و فاصله بین زبریها باعث کاهش طول پرش و منطقه غلتاب و افزایش تنش برشی بستر میشود.
نژندعلی و همکاران - 1390 - اثر زبریهای عرضی مثلثی را در کف حوضچه بر روی مشخصات پرش هیدرولیکی در محدوده اعداد فرود -4 13/7 با 3 ارتفاع زبری - t - و چهار فاصله متفاوت - s - بین زبریها مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که افت انرژی نسبت به بستر صاف حداکثر 18 درصد افزایش یافته و مقادیر تنش برشی بر روی بسترهای زبر حداکثر 11 برابر بستر صاف است.
تحقیق حاضر در راستای بررسی اثر بستر زبر با شکل جدیدی از زبریها بصورت بلوکهای نیم استوانهای شکل و اثر ابعاد و فاصله بین زبریها بر خصوصیات پرش هیدرولیکی انجام گرفته است.
-2 مواد و روشها
آزمایشها در فلوم آزمایشگاهی به طول 10 متر، عرض 0/25 متر و ارتفاع 0/5 متر با شیب کف 0/002 در آزمایشگاه هیدرولیک گروه آب دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز انجام شده است. سیستم تأمین آب در شکل - 1 - مشاهده میشود. جریان پس از عبور از فلوم به سمت یک سرریز مثلثی لبه تیز واسنجی شده هدایت و به کمک این سرریز اندازهگیری دبی جریان صورت میگیرد.
به منظور تأمین هد آب جهت تشکیل پرش هیدرولیکی در اعداد فرود مختلف، مخزنی به ارتفاع 1 متر در بالادست دریچه کشویی بالادست احداث گردید. در تمامی آزمایشها بازشدگی دریچه ثابت و برابر 3 سانتی متر بود. با تغییر دبی، پرش هیدرولیکی در 5 عدد فرود مختلف ایجاد گردید.
شکل-1 پلان سیستم تأمین آب و اجزای تجهیزات فلوم در آزمایشگاه هیدرولیک
زبریهای به کار رفته در این تحقیق، که در شکل - 2 - مشاهده میشود، از جنس EPS با مقطع نیمدایره به طول 25 سانتیمتر و سه ارتفاع زبری - سانتیمتر 3/5 و 2/5 ، - r= 1/5 ساخته شدهاند. برای ایجاد بسترهای زبر، زبریهای نیم استوانهای شکل ساخته شده با ارتفاع مشخص فاصله یک تا چهار برابر قطر نیم استوانهها - s= d,2d,3d ,4d - قرار گرفتند.
شکل-2 زبریهای نیم استوانهای شکل با ارتفاع 1/5، 2/5 و 3/5 سانتیمتر و نمای کلی فلوم
در پرش تشکیل شده بر روی بستر زبر جهت جلوگیری از ایجاد پدیده خلازایی، تاج زبریها با سطح بستر در بالادست و پاییندست بستر زبر همتراز قرار داده شدند. برای این منظور از کف کاذب در بالادست و پاییندست حوضچه آرامش استفاده شده است - شکل . - 2 مشخصات فیزیکی بسترهای زبر در جدول - 1 - مشاهده میشود.
محدوده دبی جریان از14/6 تا18/ 7 لیتر بر ثانیه بود. در مجموع 60 آزمایش در محدوده عدد فرود اولیه 4/6 تا 7/3 انجام گرفت. عمق آب با استفاده از عمق سنج با دقت 0/1 میلیمتر و عکسبرداری دیجیتالی از پرش هیدرولیکی و رقومی کردن آن توسط نرمافزار Grafer اندازه گیری و میانگین دو مقدار بدست آمده به عنوان عمق آب در محل مورد نظر ثبت گردید. طول پرش هیدرولیکی از طریق اشل نواری نصب شده بر روی بدنه فلوم و پروفیل سرعت با استفاده از سرعت سنج پرهای میکرو با دقت 0/1 سانتیمتر بر ثانیه اندازهگیری گردید.
