بخشی از مقاله
خلاصه
سرریز - دریچه استوانهاي که میتواند به عنوان یک سازه کنترل و اندازهگیري جریان برخی از معایب استفاده جداگانه از هریک از سازه سرریز و دریچه را به صورت جداگانه کاهش دهد در حالت زبر هیدرولیک متفاوتی با حالت بدون زبري آن خواهد داشت، بنابراین در این تحقیق به منظور بررسی تاثیر اندازه زبري روي هیدرولیک جریان، آزمایشاتی در سه اندازه زبري نسبی - k/D - 0/013، 0/024، 0/03 و حالت بدون زبر - پی وي سی - ٤ روي سرریز - دریچه استوانهاي با اندازه بازشدگی 30 میلیمتر در دریچه، در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه علوم کشاورزي ساري صورت گرفت.
در هر دو حالت زبر و غیر زبر در قسمت تاج فشار منفی رخ میدهد، افزایش میزان زبري نسبی در سطح سازه سبب کاهش محدوده فشار منفی ایجاد شده در این قسمت گردیده، بطوري که سرریز - دریچه در حالت زبري کامل بدنه با اندازه زبري نسبی 0/03 کمترین محدوده فشار منفی را ایجاد میکند. محل وقوع حداکثر فشار مثبت در یک دبی ثابت با ایجاد زبري در سطح کامل بدنه سازه، به میزان 6 درجه نسبت به حالت بدون زبري جابه جا و به سمت تاج منتقل شده و موجب کاهش دبی عبوري از روي سرریز و کاهش ضریب دبی عبوري سرریز-دریچه استوانهاي گردیده است. همچنین در زبري ثابت افزایش دبی موجب افزایش فشار مثبت میگردد.
1. مقدمه
یکی از انواع سازههاي سرریز-دریچه، نوع استوانهاي است، سرریز-دریچه استوانهاي میتواند یکی از سازههاي کنترل و تنظیم سطح آب در شبکههاي آبیاري و زهکشی بکار برده شده و سبب برطرف نمودن برخی از معایب استفاده جداگانه هریک از آنها مانند ته نشینی رسوبات در پشت سرریز و تجمع مواد شناور در پشت دریچه شود. بر اساس یافتههاي محققان قبلی سرریز استوانهاي به علت وجود فشار منفی روي بدنه سازه در پایین دست تاج داراي ضریب دبی بالا نسبت به سایر سازه-هاي جایگزین است.
ولی سرریز-دریچه به علت عبور جریان همزمان از روي سرریز و از زیر دریچه هیدرولیک متفاوتی داشته و محل و مقدار فشار منفی بعد از تاج و همچنین مقدار فشار در سایر قسمتهاي بدنه سازه میتواند تحت تاثیر قرار گرفته و منجر به تغییراتی در ضریب دبی عبوري سرریز-دریچه استوانهاي گردد. از طرفی میتوان با تغییر در سطح سازه جدایش لایه مرزي را به تاخیر انداخت همچنین سبب کاهش اثرات گردابهاي ایجاد شده در پشت سازه گردید. که از آن جمله میتوان به توپ گلف اشاره نمود که با ایجاد زبري در سطح آن می-توان بر جریان هواي عبوري از سطح آن تاثیر و در روند حرکت توپ اثر گذاشت، محققان قبلی نشان دادند که با زبر نمودن سطح سازه - سازه استوانه اي قرار گرفته در آب عمیق - یا با ایجاد شیار و زائده در طول سازه میتوان اثرات منفی جدایش جریان را کاهش داد .
ازتحقیقات انجام شده روي سرریز-دریچه استوانهاي و سازههاي استوانهاي میتوان به مطالعات مسعودیان و همکاران - 1390 - ، اشاره نمود آنها با بررسی هیدرولیک جریان مستغرق در مدل ترکیبی سرریز - دریچه استوانهاي مشخص نمودند این سازهها داراي دو نوع حد استغراق بوده که یکی مربوط به دریچه و دیگري مربوط به سرریز میباشد و استغراق سرریز نسبت به دریچه تأثیر بیشتري بر کاهش ضریب دبی دارد .
قره گزلو و همکاران - 1392 - ، با بررسی اثر سرریز بر دبی دریچه، در مدل سرریز- دریچه استوانهاي به نتیجه رسیدند که، با افزایش پارامترهاي - Hw/a نسبت هد آب روي سرریز به بازشدگی دریچه - و Hw/D، :D - قطر سازه - ضریب دبی دریچه کاهش یافته واین کاهش نسبت به حالت استفاده جداگانه دریچه در حدود 25-1 درصد میباشد. همچنین در یک - - Hw/a ثابت، با افزایش ارتفاع دریچه، تاثیر جریان عبوري از سرریز بر کاهش میزان دبی عبوري از دریچه کاهش می-یابد .
قره گزلو و همکاران - 1391 - ، با بررسی آزمایشگاهی ضریب دبی در مدل ترکیبی سرریز - دریچه استوانهاي و نیماستوانهاي به این نتیجه رسیدند، که در یک H/D ثابت، ضریب دبی استوانه کامل تقریبا برابر با ضریب دبی نیماستوانه با انحنا در بالادست است و حدود 12 درصد بیشتر از ضریب دبی نیماستوانه با انحنا در پاییندست میباشد .
سوري و همکاران - 1391 - ، به بررسی آزمایشگاهی تغییرات ضریب دبی سرریز - دریچه استونهاي متحرك پرداختند و نتایج کار آنها نشان داد که بیشترین و کمترین ضریب دبی به ترتیب در سرریز و دریچه استوانهاي است. همچنین با تبدیل سازه از سرریز - دریچه استوانهاي به دریچه استوانهاي کاهش سریعی در مقادیر پارامترهاي H/D و - H-Hd - /P، - :Hd عمق آب در پاییندست سازه - مشاهده شده، که این روند ناشی از کاهش ضریب دبی و در نتیجه آن کاهش میزان پسزدگی آب و کاهش چشمگیر H میباشد .
مسعودیان و همکاران - 1391 - ، به مطالعهي ضریب دبی سرریز - دریچه استوانهاي و تعیین رابطهي آن با ضریب دبی و سرریز جداگانه پرداختند، نتایج کار آنها نشان داد که ضریب دبی با افزایش H/D و H/a، در دبیهاي کم روند کاهشی و در دبیهاي بالا روند افزایشی دارد و با افزایش قطر سازه در H/a ثابت، ضریب دبی سرریز و سرریز - دریچه کاهش و در دریچه افزایش مییابد .
مسعودیان وهمکاران - 1391 - ، با مقایسه روند تغییرات ضریب دبی در سه مدل سرریز، دریچه و سرریز - دریچه استوانهاي نشان دادند که در مدل ترکیبی سرریز - دریچه با افزایش پارامترهاي بی بعد H/D و H/a ضریب دبی سرریز روند صعودي داشته و نهایتا ثابت میگردد، ضریب دبی در دریچه کاهش و در سرریز - دریچه افزایش مییابد و در H/a ثابت با افزایش قطر، ضریب دبی سرریز و سرریز - دریچه کاهش و در دریچه افزایش مییابد .[7] اشرفپور - 1392 - ، با بررسی میدان جریان اطراف سرریز - دریچه استوانهاي وشبیهسازي آن با استفاده از نرم افزار فلوئنت، پروفیلهاي سرعت در بالادست و توزیع فشار و پروفیل سرعت روي بدنه سازه را استخراج و مورد بررسی قرار داد.
نتایج تحقیق وي نشان داد که مدل فلوئنت قادر به شبیهسازي میدان جریان بالادست سازه با دقت بالایی بوده ولی در شبیهسازي جریان پاییندست سازه داراي خطاي زیادي میباشد و مشاهده گردید که با قرارگیري سرریز - دریچه استوانهاي در مسیر جریان، میدان جریان بالادست تا فاصلهاي حدود دو برابر قطر سازه تحت تاثیر قرار میگیرد، همچنین، میزان حداکثر و حداقل سرعت روي سرریز و زیر دریچه رخ میدهد. و نیز در یک دبی و بازشدگی ثابت، با افزایش قطر میزان فشار منفی روي سرریز افزایش یافته و محل آن از تاج دور شده و به پاییندست انتقال مییابد .
زادقربان و همکاران - 1393 - ، با مطالعه آزمایشگاهی، تاثیر زبري روي هیدرولیک جریان عبوري از سرریز استوانهاي را مورد بررسی قرار دادند و سپس با شبیه سازي میدان جریان اطرف سازه با زبريهاي مختلف بوسیله نرمافزار فلوئنت، نتایج را با دادههاي آزمایشگاهی صحتسنجی نمودند، نتایج نشان داد که به ازاي یک دبی ثابت زبري موجب افزایش هد آب روي سرریز میشود. در یک :R - Hw/Rشعاع سرریز - ، ثابت با افزایش ارتفاع زبري افت نسبی افزایش مییابد، ، افزایش زبري باعث افزایش فشار در نیمه بالادست سرریز و قسمت بالایی نیمه پاییندست سرریز میشود .
مرور منابع نشان می دهد زبري، شیار و محل زبري می تواند باعث کاهش خصوصیات منفی جدایش لایه مرزي شود و تاکنون تحقیقی بر روي سرریز-دریچه استوانه اي - که در آن جریان حالت ریزشی دارد - زبر، انجام نشده است، در این تحقیق سعی میگردد با ایجاد زبري در سطح کامل بدنه سرریز – دریچه استوانهاي - شکل - 2 میزان تاثیرات هر یک از اندازه هاي زبري بر توزیع فشار ومیزان ضریب دبی عبوري با حالتی که سطح سازه دچار زبري نشده است، مقایسه گردد.
2. مواد و روشها
آزمایشها با استفاده از لوله پی وي سی با قطر 160 میلیمتر و با میزان زبريهاي نسبی : K/D’ - نسبت میزان زبري به مجموع اندازه قطر سرریز-دریچه استوانهاي وقطر اضافه شده توسط زبري - متوسط0/013 و0/024 و 0/03 میلیمتر، به عنوان مدل سرریز - دریچه زبر، در فلوم آزمایشگاهی دانشگاه علوم کشاورزي و منابع طبیعی ساري که داراي طول 11 متر، عرض 30سانتیمتر و ارتفاع 70 سانتیمتر است، انجام شد. شکل1 تصویر فلوم را نشان میدهد.
براي زبر کردن سطح سرریز - دریچه مطابق جدول 1 بر اساس آزمایش دانه بندي اندازه زبريهاي مورد نیاز جدا گردید وآزمایشها ابتدا در حالت بدون اعمال زبري و سپس با اعمال زبري با اندازههاي مختلف در سطح کامل بدنه سازه، در شرایط هیدرولیکی یکسان، انجام شد، که مطابق با شکل 2 میباشد. در کلیه آزمایشات انجام شده میزان بازشدگی در قسمت دریچه ثابت و برابر 3 سانتیمتر درنظر گرفته شد. دبی ورودي با استفاده از سرریز مثلثی 90 درجه که قبلا کالیبره شده اندازهگیري و برداشت عمق آب با استفاده از عمقسنج با دقت 0/001 میلیمتر صورت گرفت، براي اندازه-گیري مقادیر فشاراز دستگاه فشار سنج - دیجیتال - با دقت اندازهگیري1میلی باراستفاده گردید.
براي اندازهگیري مقادیر فشار نیز، محیط سازه سرریز-دریچه استوانهاي به 19 زاویه مساوي تقسیم و فشار در هر نقطه مطابق با شکل 3 اندازهگیري شد - . در هر مرحله از آزمایش، جهت کاهش تلاطم جریان ورودي به کانال، مدل در یک سوم انتهایی نصب گردید.
شکل – 1 شکل شماتیک فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده
جدول - 1 مشخصات زبري مورد استفاده
شکل – 2 شکل شماتیک جریان عبوري از سرریز- دریچه استوانهاي در حالت هاي مختلف زبري و بدون زبري
