بخشی از مقاله
خلاصه
تشکیل گرداب در آبگیرها و سرریزهای مدور قائم باعث بوجود آمدن هستهی هوا در دهانهی ورودی آبگیر - در صورت ناکافی بودن عمق استغراق روی سازه - شده و باعث کاهش ظرفیت آبگیر و ورود هوا به داخل مجرا میشود. یکی از روشهای اصلاح شکل ورودی بهمنظور جلوگیری از ورود هوا و کاهش قدرت گردابه، استفاده از سرریز کلید پیانویی برروی ورودی آبگیر است. بهدلیل ناکافی بودن تحقیقات بر ورودی کلید پیانویی، در اطن تحقیق اثر پارامترهای ورودی کلید پیانویی بر عمق استغراق بحرانی سرریز مدور در یک مدل آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آزمایشها نشان میدهد، با بکار بردن ورودی کلید پیانویی عمق استغراق بحرانی بطور قابل توجهی کاهش مییابد.
-1 مقدمه
تشکیل گرداب در سرریزهای مدور قائم نتیجهی بقا مومنتم زاویهای در محل انقباض جریان میباشد. در این شرایط سرعت زاویهای افزایش یافته و سطح مقطع جریان کاهش مییابد. بسیاری از محققین بر این عقیدهاند که اندرکنش هندسهی سازه و پارامترهای جریان نظیر سرعتهای شعاعی و مماسی و خصوصیات سیال نظیر لزجت و کشش سطحی و تراکمپذیری باعث ایجاد گرداب و چرخش جریان در نزدیکی آبگیر میگردد. تأمین عمق کافی برای سیال در میدان جریان نزدیک شونده به مجرای آبگیری باعث کاهش سرعت سطحی و پتانسیل شکلگیری جریان چرخشی میگردد. تاکنون محققین بسیاری روشهای گوناگونی برای تعیین عمق استغراق بحرانی پیشنهاد دادهاند. Odgaard - 1986 - استغراق بحرانی را بصورت ضریبی از هد سرعت ماکزیمم بیان کرده است. Yildrim and Kocabas - 1995 - برای تعیین عمق استغراق آبگیر از نظریهی جریان پتانسیل استفاده نمودند. آنها به این نتیجه رسیدند که عمق استغراق آبگیر با شعاع جریان کروی سینک که دارای دبی و مرکز یکسان با آبگیر باشد، معادل خواهد بود. Gulliver and Rindels - 1987 - در مطالعات آزمایشگاهی خود به بررسی اثر عدد فرود برعمق استغراق در یک آبگیر واقع در کانالی که جریان چرخشی از میان پرههایی به صورت مماسی وارد میشود، پرداختهاند. Jain et al. - 1978 - در قالب فعالیتهای آزمایشگاهی اثر لزجت و چرخش بر عمق استغراق بحرانی را بررسی کردند.
پدیدهی گرداب در مجاری بستهی بزرگ غالباً مشکلات عدیدهای به دنبال دارد و گاه باعث کاهش دبی جریان، ارتعاش، خرابی، موج - ناشی از تشکیل گرداب - ، کاویتاسیون،پخش و جدایی خطوط جریان و نهایتاً کاهش بازدهی توربینها و سیستمهای پمپاژ میشود و در بسیاری از موارد ایمنی سازه را به مخاطره میاندازد. بنابراین لازم است قدرت جریان گردابهای به روش مناسب کاهش یابد و جریان ورودی به سرریز مدور قائم کنترل گردد. یکی از روشهای کنترل جریان گردابهای استفاده از تیغههای ضدگرداب میباشد. در عین حال میتوان با اصلاح شکل ورودی ضمن افزایش ضریب دبی جریان قدرت جریان گردابهای را کاست. یکی از این روشهای اصلاح شکل ورودی استفاده از شکل ورودی کلید پیانویی به جای فرم خطوط جریانی است. ابداع فرم کلید پیانویی برای سرریزها حاصل تحقیقات گسترده در ارتباط با سرریزهای غیرخطی است. احداث این نوع سرریز به منظور افزایش ظرفیت ذخیره هزینه ی بالایی به طرح تحمیل نمیکند. این سرریز در ابتدا توسط Lempérière and Ouamane در سال 2003 مطرح گردید. مطالعات آزمایشگاهی زیادی توسط Chi Hien - 2003 - ، Lempérière - 2006 - ، Machiels - 2009 - پیرامون اثر مشخصات هندسی سرریز برظرفیت تخلیه آن، انجام شده است. این نوع سرریز کمتر از یک دهه است که مطرح شده و به همین دلیل هنوز به صورت دقیق بر روی این نوع سرریز و مشخصات هیدرولیکی آن بررسی گسترده و جامعی صورت نگرفته است. در این تحقیق بر اساس مدلسازی آزمایشگاهی به بررسی تأثیر ورودی کلید پیانویی بر هیدرولیک جریان بهویژه عمق استغراق بحرانی - - Sc در سرریزهای به فرم شفت مدور قائم پرداخته میشود.
-2 ملاحظات تئوری
.1 .2 سرعت مماسی از آنجا که معادلهی حرکت گردابی پیچیده بوده و بدون آگاهی از میدان جریان نمیتوان به جواب قابل اعتمادی دست یافت، گرداب مرکب رانکین که یک مدل سادهی تحلیلی است، تشریح میگردد. فرض اصلی در این تحلیل این است که ذرات سیال در نزدیکی مرکز گرداب مانند یک جسم صلب با ویسکوزیتهی بالا دارای حرکت چرخشی حول محور خود میباشند - گرداب اجباری - . این ناحیه درون یک منطقهی غیر لزج - گرداب آزاد - که در فاصلهی دورتری از مرکز قرار دارد، جای گرفته است. این دو ناحیه در شعاعی که وابسته به شعاع مجرای آبگیری است به یکدیگر پیوند خوردهاند. در مرکز گرداب فرض بر آن است که سیال دارای حرکت چرخشی است. لذا سرعت مماسی V بهصورت خطی با شعاع r تغییر میکند. در رابطه ذکر شده V معرف سرعت مماسی، چرخش - سیرکولاسیون - ، سرعت زاویهای، r فاصله از محور چرخش، rm فاصله از محور چرخش که سرعت مماسی در این مکان بیشترین مقدار خود را دارد.
.2 .2 آنالیز ابعادی و استغراق آبگیر همانطور که اشاره گردید، یکی از عوامل مؤثر بر ایجاد گرداب در یک سیستم آبگیری، عمق آب روی آبگیر است که به آن عمق استغراق اطلاق گردید. عمق استغراق بحرانی - Sc - عمقی از آب روی دهانهی وروردی آبگیر است که اگر عمق آب از آن مقدار کمتر گردد، گرداب سطحی تشکیل میگردد. در واقع موقعیتی است که در آن اولین گود افتادگی جهت تشکیل گرداب با هستهی هوا شکل میگیرد - شکل . - 1 در تعیین عمق استغراق بحرانی باید چندین عامل را مدنظر قرار داد که مهمترین آن ها عبارتند از : D قطر لوله، دانسیته سیال، V سرعت متوسط جریان، لزجت سینماتیکی ، g شتاب ثقل، کشش سطحی سیال، ثابت چرخش. به این ترتیب با استفاده از مباحث آنالیز ابعادی میتوان رابطهی - 3 - را جهت بیان تابع عمق استغراق بحرانی معرفی نمود. - 3 - S c f - D ,V , g , , , , - طبق نظریهی باکینگهام، با توجه به متغیرهای ذکر شده در بالا و سه بعد اصلی - - M,L,T پنج عدد بیبعدمستقل برای بررسی موضوع مورد نیاز است. این پارامترها عبارتند از:
-1 عدد استغراق
-2 عدد فرود
-3 عدد رینولدز
-4 عدد وبر
-5 عدد کلف
تحت شرایط خاص میتوان بعضی از این اعداد بیبعد را حذف کرد. تأثیر لزجت - - RN و کشش سطحی - - WN از مواردی بوده که محققان را به چالش انداختهاست و معیارهایی برای حذف این اعداد از آنالیز ارائه شده است. جدول - - 1 مقادیر حدی اعدادRN و WN را نشان میدهد. با توجه به اینکه در این تحقیق از وروردی کلید پیانویی استفاده شده است، اعداد بیبعد دیگری مرتبط با مشخصات هندسی سرریز کلیدپیانویی از جمله P/D، L/D، نیز باید تعریف شود - که P ارتفاع سرریز، L طول سرریز و زاویه رأس سرریز کلطد پیانویی هستند. مشخصات هندسی سرریز کلید پیانویی در جدول - 2 - نمایش داده شده است. در اینصورت با حذف اثر کشش سطحی و لزجت و بکار بردن اعداد بیبعد مرتبط با ورودی کلیدپیانویی میتوان رابطه - 4 - را بصورت زیر بیان نمود:
-3 معرفی مدل آزمایشگاهی
در این تحقیق به بررسی آزمایشگاهی هیدرولیک جریان در سرریز مدور قائم با ورودی از نوع کلید پیانویی پرداخته شده است. مدلسازی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده عمران انجام پذیرفت. در این مدل تأثیر طول و زوایای ورودی کلید پیانویی بر پدیدهی گرداب در سرریز مدور قائم مورد مطالعه قرار گرفته است. آزمایشات درون مخزنی از جنس آهن گالوانیزه با قطر 2 متر و ارتفاع 1 متر انجام شده است. قطر شفت قائم که در وسط کف مخزن نصب گردید، 15 سانتیمتر میباشد. ارتفاع شفتهای قائم 30 سانتیمتر است. مخزن بر روی پایهای به ارتفاع 1/2 متر نصب شده است. بر روی جداره مخزن یک ورودی قائم به ارتفاع مخزن به صورت مماسی برای تولید جریان یکنواخت با حداکثر قدرت چرخشی در ورودی به مخزن پیشبینی شده است. به دلیل اینکه جریان با قدرت چرخشی زیادی وارد مخزن میگردد و دارای مومنتم زیادی است، یک مخزن مشبک به قطر
