بخشی از مقاله
چکیده
جریان ورودی به آبگیر دارای مومنتم بسیار زیادی در جهت کانال اصلی می باشد و به همین دلیل درون آبگیر جدایی جریان اتفاق می افتد. این ناحیه سبب کاهش سطح مقطع موثر جریان در ابتدای آبگیر می شود. در این تحقیق، با بکار گیری موانع مکعبی در حالت برخورد جریان به رأس موانع که در مقایسه با برخورد به ضلع، حجم آبشستگی کمتری پیرامون موانع را داراست، سعی در بررسی میزان تاثیر ورتکس بر ابعاد ناحیه جداشدگی ابتدای آبگیر با توجه به الگوی رسوب گذاری، شده است.
موانع در دو حالت چیدمان موازی و زیگزاگی در مسیر جریان قرار داده شدند و آزمایش ها در شرایط وجود ورتکس و کاهش ورتکس ناشی از موانع صورت پذیرفتند و با حالت شاهد که بدون قرارگیری موانع در کانال می باشد، مقایسه گردید. در پایان این تحقیق 20 آزمایش در چهار نسبت آبگیری انجام شد که در تمامی آزمایش ها بستر کانال بوسیله رسوبات ماسه ای پوشانده شد .
با توجه به مشاهدات آزمایشگاهی می توان بیان نمود که قرارگرفتن موانع بصورت زیگزاگی در مسیر جریان، سبب کاهش عرض و طول ناحیه جداشدگی نسبت به حالت بدون موانع می شود. با کاهش تأثیر ورتکس ناشی از موانع در حالت چیدمان زیگزاگی موانع، ابعاد ناحیه جداشدگی در مقایسه با حالت های با وجود ورتکس و شاهد کاهش می یابد. در صورت قرارگیری موانع بصورت موازی و کاهش اثر ورتکس، شاهد کاهش طول ناحیه جداشدگی و افزایش عرض آن در مقایسه با حالت های بدون موانع و با وجود ورتکس می باشیم.
-1 مقدمه
احداث آبگیر جانبی، یکی از روش های بهره گیری از آب رودخانه ها با هدف انحراف و توزیع آب در سدها و شبکه های آبیاری می باشد. به دلیل فرسایشی بودن بستر رودخانه ها، انتقال رسوبات به همراه جریان آب همراه خواهد بود و این فرآیند ممکن است سبب انسداد دهانه آبگیر و در نتیجه کاهش کارآیی آن شود. در مسیر رودخانه ها، ممکن است مجموعه ای از موانع مانند پایه های پل، پایه های اسکله در دریا، رشد درختان و گیاهان در بستر رودخانه و یا هر سازه ی هیدرولیکی دیگر، وجود داشته باشند.
با عبور سیال از اطراف موانع عمود بر مسیر جریان، در لبه ی ابتدایی موانع لایه مرزی تشکیل می شود . با رشد لایه مرزی و در اثر گرادیان فشار، جداشدگی خطوط جریان رُخ می دهد و سبب تشکیل الگوی منظمی از ورتکس - گردابه - ها در پایین دست موانع می شود . با حرکت کردن یک ذره سیال به سمت لبه ی ابتدایی یک مانع واقع در مسیر جریان، به دلیل برخورد جریان با سطح جسم، فشار آن از فشار سیال آزاد تا حد فشار دینامیک در نقطه ی سکون افزایش پیدا می کند. بدلیل فرسایشی بودن بستر رودخانه ها، در اطراف موانع پدیده ی آبشستگی رخ می دهد که سبب ایجاد حفره پیرامون موانع و در نتیجه انتقال رسوبات به پایین دست سازه می شود. کشش ورتکس در پشت موانع یکی از عوامل مؤثر بر انتقال رسوبات به پایین دست سازه ها می باشد.
جریان ورودی به آبگیر دارای مومنتم بسیار زیادی در جهت کانال اصلی می باشد و به همین دلیل درون آبگیر جدایی جریان اتفاق می افتد. این ناحیه سبب کاهش سطح مقطع موثر جریان در ابتدای آبگیر می شود. از طرفی افزایش فشار جریان دهانه پایین دست آبگیر الگوی جریان پیچیده در دهانه آبگیر، سبب ایجاد تغییرات در بستر آبرفتی مجاری روباز می شود. از این رو محققین زیادی با هدف بررسی تأثیر این الگوی جریان بر ریخت شناسی بستر، پژوهش هایی را ارائه دادند.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
وبر و همکاران - 1] - 2001،[ با بررسی جریان سه بُعدی در محل یک اتصال 90 درجه، نشان دادند که ابعاد ناحیه جداشدگی و همچنین چرخش جریان در سطح آب، نسبت به کف بزرگتر و بیشتر است. رامامورتی و همکاران - [2] - 2007، به مطالعه عددی و آزمایشگاهی جریان های سه بُعدی در محل تقسیم مجاری روباز در فلومی با انشعاب 90 درجه و دارای عرض برابر با کانال اصلی در 5 نسبت دبی پرداختند. مشاهدات نشانگر کاهش ابعاد ناحیه جداشدگی جریان به ازای افزایش نسبت دبی بوده است.
همچنین منطقه جداشدگی جریان در بستر کانال در مقایسه با منطقه جدایی در سطح آب کوچکتر بوده است. عباسی و همکاران - [3] - 1383 ابعاد ناحیه گردابی در ابتدای کانال آبگیر را به کمک تحلیل داده های سرعت تعیین کردند . آنها نشان دادند، مهمترین عامل در ابعاد این ناحیه نسبت آبگیری می باشد و با افزایش آن، ابعاد ناحیه جداشدگی کاهش می یابد. همچنین نقش عدد فرود جریان در شکل گیری ناحیه گردابی ناچیز است.
نظری و شفاعی بجستان - [4] - 1389 با بررسی تاثیر زاویه انحراف آبگیر بر نسبت دبی و رسوب ورودی به آبگیر در خم 90 درجه همگرا، به این نتیجه اشاره کردند که میزان رسوب ورودی به آبگیر با افزایش عدد فرود جریان افزایش می یابد. همچنین نتایج آنها نشان داد که الگوی جریان حلزونی در گوشه دیواره ی پایین دست کانال آبگیر نزدیک کف بوجود می آید که باعث انتقال شدید ذرات بار کف به درون آبگیر می شود.
همچنین پژوهش های مختلفی با هدف شناخت پدیده ورتکس و موج های عرضی ناشی از موانع در جریان کانال های روباز، صورت پذیرفته است. ساب هسیش دی و همکاران [5] - 2006 - موضوع کنترل فرسایش ناشی از امواج در اطراف موانع دایره ای عمودی، با ایده کنترل کشش ورتکس و جریان موضعی، جهت مهارکردن فرسایش عمقی در پایه های تحت تأثیر امواج را تحقیق کردند .
این آزمایش ها در دو حالت با نصب صفحات بین موانع و همچنین پایه بندکشی شده انجام پذیرفت. روش های پیشنهاد شده برای کنترل فرسایش مناسب بوده و دارای مزیت هایی چون نصب بسیار آسان و بهره اقتصادی نیز می باشند.
سامنر [6] - 2010 - در مقاله ای نتایج مربوط به یک مطالعه در مورد جریان اطراف دو مانع بزرگ با قطر مساوی را ارائه کرده است . آرایش های مربوطه بصورت پشت سر هم، کنار هم و زیگزاگی بوده است. این محقق طبقه بندی الگوی جریان و تأثیر عدد رینولدز را مورد بررسی و مقایسه قرار داد و همچنین اندازه گیری آزمایشگاهی نیروی وارده از جریان بر سطوح موانع، فرکانس ارتعاش ناشی از ورتکس، سرعت جریان و سایر پارامترها و مدل های عددی را نیز انجام داده است .
حق بین و قمشی [7] - 1392 - با بررسی تأثیر ورتکس ناشی از موانع استوانه ای واقع در آبگیر به قطرهای 24 و 34 میلیمتر و با دو نسبت آبگیری - نسبت دبی در واحد عرض آبگیر به دبی در واحد عرض کانال اصلی - 0/63 و 0/83 برای دبی 21/17 لیتر بر ثانیه و دو نسبت آبگیری 0/43 و 1/07 برای دبی 17/82 لیتر بر ثانیه، به این نتایج دست یافتند که در حالت بکارگیری موانع با قطر بزرگتر، میزان ورود رسوبات بستر به آبگیر، در مقایسه با استفاده از موانع با قطر کوچکتر کمتر می باشد. همچنین میزان رسوب ورودی به آبگیر در حالت آبگیری کوچکتر، کمتر از حالت آبگیری بزرگتر می باشد.
در تحقیقات گذشته شناخت الگوی رسوب گذاری در دهانه و درون آبگیر، در شرایط وجود موانع و تشکیل ورتکس کمتر مورد توجه بوده است. در این تحقیق، با بکار گیری موانع مکعبی در حالت برخورد جریان به رأس موانع که در مقایسه با برخورد به ضلع، حجم آبشستگی کمتری پیرامون موانع را داراست، سعی در بررسی میزان تاثیر ورتکس بر ابعاد ناحیه جداشدگی ابتدای آبگیر با توجه به الگوی رسوب گذاری، شده است.
-3 مواد و روش ها
آزمایش های مربوط به این پژوهش، با بکارگیری یک فلوم آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی به طول 6/5 ، پهنای 1/45 و ارتفاع یک متر در آزمایشگاه مرکز تحقیقات رسوب معاونت مطالعات پایه و منابع آب سازمان آب و برق استان خوزستان صورت پذیرفت. در فاصله 2/7 متری از بالادست کانال اصلی، آبگیری با اتصال 90 درجه، به طول3 ، پهنای 0/68 و ارتفاع 0/6 متر تدارک دیده شد. جداره های این کانال شفاف و از جنس شیشه به ضخامت 1 سانتی متر ساخته شده است.
سیستم پمپاژ موجود در آزمایشگاه، آب مورد نیاز فلوم را بوسیله پمپاژ از مخزن اصلی به فلوم انتقال می دهد و سپس آب موجود در فلوم به مخزن بازگردانده می شود. دبی و عمق آب در فلوم به ترتیب توسط شیر فلکه و دریچه هایی که در انتهای هر کدام از کانال های اصلی و فرعی نصب شده است، تنظیم می شد. شکل 1 تصویر شماتیکی از فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده در این تحقیق را نمایش می دهد.
شکل-1 تصویر شماتیک فلوم آزمایشگاه.
موانع مکعبی در کف کانال اصلی و در دو حالت چیدمان موازی و زیگزاگی قرار داده شدند . این موانع در 6 ردیف در طول و 9 ردیف در عرض کانال قرار داده شدند. نحوه ی قرارگیری موانع بصورت برخورد جریان به رأس بوده است که بر اساس نتایج پورمحمدی [8] - 1393 - در این حالت ورتکس ناشی از موانع تشدید یافته و بیشترین دامنه موج عرضی ناشی از ورتکس در این حالت شکل می گیرد.
همچنین بر اساس پژوهش مک کنا نومن و همکاران [9] - 2013 - بیان شد که در حالت قرارگیری مانع مکعبی در حالت برخورد جریان به ضلع، فرسایشی بلافاصله پس از مانع رُخ نمی دهد. اما در صورت قرارگیری موانع در حالت برخورد با رأس، فرسایش قابل توجهی پس از کشش ورتکس شکل می گیردبُعد. هر کدام از این موانع مکعبی 2/5 و ارتفاع آنها 30 سانتیمتر می باشد. در شرایط قرارگیری موانع بصورت موازی فاصله طولی - T - و عرضی - P - هر دو مانع متوالی در یک راستا 12 سانتیمتر و در حالت زیگزاگی این فواصل به ترتیب 24 و 12 سانتیمتر می باشد. در شکل 2 می توان نمایی از قرارگیری موانع در کانال اصلی را مشاهده کرد.
