بخشی از مقاله
خلاصه
توپوگرافی بستر عبور جریان، تندابها وعواملی که سبب ایجاد تغییرات ناگهانی عمق جریان میشوند، میتوانند عامل ایجادکنندهي انرژي جنبشی مخرب در جریان عبوري از کانالها شوند. انرژي مخرب جریان میتواند سبب ایجاد آبشستگی و فرسایش بستر کانال ویا تخریب سازههاي پایین-دست شود.
یکی از عواملی که سبب به وقوع پیوستن این پدیده میشود، وجود شیبشکنهاي قائم در مسیر جریان عبوري از کانال میباشد. در این تحقیق با قراردادن مستهلک کنندههاي شیاري و شبکهاي بر روي تاج شیبشکن قائم میزان استهلاك انرژي و وضعیت پرش هیدرولیکی ایجاد شده درون حوضچه آرامش در مقایسه با شرایط عدم استفاده از سازه هاي مورد اشاره در یک شیب شکن قائم ساده، بررسی و میزان بهبود راندمان سیستم در اثر حضور این سازهها، به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرارگرفته است.
هدف از اضافهنمودن این سازهها به سیستم حوضچه آرامش، تغییر جهت جریان، استهلاك بیشتر انرژي وکاهش طول حوضچه هايآرامش بودهاست.
.1 مقدمه
شیب شکنهاي قائم1 در کانالهاي آبیاري، شبکههاي جمعآوري آبهاي سطحی و فاضلاب و در سرریزهاي پلهاي مورد استفاده قرار میگیرند، چنانچه در فواصلی از مسیر انتخابشده براي احداث کانال، شیب طبیعی زمین از شیب طراحی کف کانال بیشتر باشد، براي انتقال آب از سطح بالاتر به سطح پایینتر از شیبشکن استفاده میشود. به طور کلی هدف از احداث شیبشکنها، استهلاك انرژي، تثبیت بستر کانال، اصلاح عبور مسیر ماهیها و سایر است. تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی زیادي به منظور شناسایی پارامترهاي موثر بر هیدرولیک جریان در شیبشکنها صورتگرفته است.
با توجه به شکل1، پارامترهاي موثر در شیبشکنها، عمق استخر تشکیل شده در پاي شیبشکن - Yp - ، طول استخر تشکیل شده در پاي شیبشکن - Lp - ، طول پرش هیدرولیکی ایجاد شده - LB - ، عمق جریان در لبهي شیبشکن - Y0 - ، عمق جریان در پاییندست - - Y1 می باشد. مور در سال 1943 براي اولین بار بهروش آزمایشگاهی به بررسی وضعیت استهلاك انرژي در شیبشکنهاي قائم پرداخت و روابطی براي تخمین برخی پارامترهاي موثر در شیبشکنها ارائه داد [1]، وایت در سال 1943 با استفاده از فرضیاتی براي اولین بار به روش تحلیلی روابطی را براي محاسبهي ویژگیهاي جریان ارائه داد که از بین روابط ارائه شده میتوان به رابطهي - 1 - براي محاسبهي افت انرژي بین مقطع C-C و1-1 اشاره نمود :
شکل :1 نمایی از وضعیت جریان در شیبشکن قائم
در رابطهي بالا E1 انرژي در مقطع 1 - 1 و Yc عمق بحرانی جریان وh ارتفاع شیبشکن میباشد، رند در سال 1955 با استفاده از تعریف عدد بیبعدي به نام عدد شیبشکن1 و نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی، روابطی براي محاسبهي پارامترهاي هیدرولیکی جریان ارائه داد و همچنین رابطهي - 2 - را براي محاسبهي افت انرژي بین مقطع C-C و 1-1 ارائه نمود :
در سال 1995 راجاراتنام و چمنی با مطالعهي تحلیلی و تجربی روابطی را براي محاسبهي پارامترهاي هیدرولیکی جریان و همچنین رابطهي - 3 - را براي محاسبه ي افت جریان بین مقاطع C-C و 1-1 ارائه نمود :
در رابطهي بالا E0 انرژي در مقطع C-C و ∆E اختلاف انرژي بین مقطع 1-1 و C-C است. چانسون در سال 1999 مطالهاي بر روي شیب-شکنهاي سنتی3 انجام داده و به این نتیجه رسیدکه این نوع شیبشکنها به دلیل وجود چاهک عمیق در پاي شیبشکن به منظور استهلاك انرژي و هوادهی نسبت به شیبشکنهاي اخیر کارآیی مناسبتري دارند
الحمود و همکاران در سال 2004 میزان افت انرژي در شیبشکنها را با محاسبهي عمق جریان در پاییندست، به دو روش تجربی و نیمهتجربی بدست آوردند و با نتایج قبلی مقایسه نمودند و دریافتند که وجود سکویی با مقطع عرضی مستطیلی همعرض با کانال در پاي شیبشکن در افزایش میزان استهلاك انرژي بسیار مؤثر است
چمنی، بیرامی و راجاراتنام در سال 2008 میزان افت انرژي در شیبشکنهاي قائم براي جریان فوقبحرانی و زیربحرانی در بالادست را با استفاده از تئوري لایه ي برشی و جت سطحیکاملاً توسعه یافته4 بررسی نموده و رابطهاي را براي محاسبهي افت انرژي ارائه دادند
مینگ هانگ و همکارانش در سال 2010 به ارائهي معادلاتی نیمه تجربی براي محاسبهي نیروي اعمالی از طرف جریان بر کف شیبشکن و طول مورد نیاز شیبشکن پرداختند
در سال 1954، مؤسسهي USBR نوعی مستهلککنندهي شیاردار را براي شیبشکنها با ارتفاع سقوط کم و اعداد فرود جریان قبل از پرش در محدودهي 2/5 تا 4/5 بر اساس نتایج آزمایشگاهی پیشنهاد داده است، در این نوع مستهلک کننده، ورقه ریزشی آب به نوارهاي طویل و نازکی تبدیل شده و تقریبﴽ به صورت عمودي وارد حوضچهي زیر کف شیاردار میشود
مؤسسه ي USBR تنها رابطهاي را براي محاسبه طول مستهلک کنندهي شیاري ارائه داده است و اشارهاي به وضعیت جریان در پایین دست و تأثیر نصب مستهلک کنندهي انرژي بر راندمان استهلاك انرژي ارائه ننمودهاست، از آنجاییکه یکی از کاربردهاي مهم شیب شکنهاي قائم در پروژههاي آبرسانی و سدسازي از بین بردن انرژي مخرب آب میباشد، در تحقیق حاضر امکان افت بیشتر انرژي در شیبشکن قائم با نصب مستهلک کنندههاي شیاري و شبکهاي در لبهي شیب شکن بهصورت آزمایشگاهی بررسی شده است، لذا در تحقیق حاضر، علاوه بر نصب مستهلک کنندهي شیاري، با نصب مستهلک کنندهي شبکهاي به طریق آزمایشگاهی، به بررسی وضعیت جریان در پاییندست شیبشکن، طول و عمق حوضچه ي تشکیل شده در پاي شیبشکن و وضعیت انرژي در پاییندست با تغییر دبی و ابعاد مستهلککنندههاي شیاري و شبکهاي پرداخته شده است.
.2 مدلسازي آزمایشگاهی
آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکدهي عمران دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شده است. مدلهاي آزمایشگاهی درون کانالی به طول 5/8 متر و به عرض 0/31 متر و ارتفاع 0/3، متر نصب گردیده اند. جنس جداره و کف کانال شیشهاي بوده وکانال در بالادست و پاییندست فاقد شیب میباشد، شیبشکنی به ارتفاع 0/15 متر طوري در کانال نصب شده است که فاصلهي آن از ورودي کانال 2/8 متر بوده تا جریان قبل از رسیدن به شیبشکن کاملا توسعه یافته شود. شیبشکن مورد استفاده از جنس ورق فولادي بوده است. آب توسط پمپ از مخزن به مدخل عبوري هدایت میشود.
در مدخل ورودي صفحات مشبکی تعبیه شدهاست تا جریان به حالت غیرآشفته و آرام به کانال وارد شود و در انتهاي کانال سرریز لبهتیز مثلثی تعبیه شدهاست، آب پس از عبور از سرریز دوباره به مخزن هدایت میگردد و بدین ترتیب جریان سیکل بستهاي را طی می نماید، شکل - 1 - پلان کلی فلوم آزمایشگاهی، موقعیت شیبشکن و نحوهي استقرار مستهلک کنندههاي مورد اشاره در این تحقیق را نشان می دهد :
شکل :2 نمایی از پلان کانال
سه عدد مستهلک کننده ي شیاري1 از جنس قوطی 2×2 و به طول 0/42 متر با عرض شیارهاي 2 cm، 4 cm و6 cm و پنج عدد مستهلک کنندهي شبکهاي2 به طول 0/42 و با شبکههایی به ابعاد 2×6 ، 4×6 ، 6×6 ،4×4 و 4×8 ، - بعدطولی شبکه در راستاي جریان به ×cm بعد عرضی شبکه عمود بر راستاي جریان به - cm، ساخته شده و جداگانه در هر آزمایش در لبهي شیب شکن، مطابق با شکل - 2 - نصب گردیدند.
در هر آزمایش وضعیت جریان به ازاي پنج دبی مختلف مورد ارزیابی قرارگرفته است و اطلاعات مختلف شامل عمق آب، موقعیت عمق بحرانی در بالادست شیب شکن و پروفیلهاي سرعت و سایر برداشت شدهاست - جدول. - 1 در این تحقیق، پارامترهاي هیدرولیکی گرداب در شیب شکن قائم از قبیل طول حوضچه تشکیل شده در پاي شیب شکن - Lp - ، ارتفاع گرداب - - Yp ، عمق جریان و پروفیلهاي سرعت براي محاسبهي انرژي در مقاطع - 1 - و - 2 - اندازهگیري شده است. براي اندازهگیري دبی جریان در طول تمام آزمایشها، دبی جریان توسط سریز مثلثی در انتهاي کانال قرائت گردید
جدول:1 اطلاعات آزمایشات انجام شده
