بخشی از مقاله
خلاصه
پرتاب کنندههاي جامی اغلب در انتهاي سرریزهاي شوت به منظور استهلاك انرژي و هدایت جریان به حوضچههاي استغراق و به ویژه در سدهاي بلند مورد استفاده قرار میگیرند. جامهاي مرکب نیز طرح خاصی از این پرتاب کنندهها میباشند که داراي یک شیب عرضی در بستر جام هستند و با انحنایی در پلان جام ترکیب میشوند. در این مطالعه پارامترهاي هیدرولیکی از قبیل فشار، سرعت، عمق و.... در سه موقعیت عرضی - چپ، مرکز، راست - و در مقاطع مختلف طولی - ورودي جام، قعر جام، لبه جام - بر روي دو مدل هیدرولیکی با هندسه متفاوت از این پرتاب کنندهها برداشت گردید.
مقادیر فشار پیزومتریک با دبیهاي مختلف سیلابی در محدودهي اعداد فرود 3/5 تا 7/5 توسط پیزومترهاي نصب شده در بستر جامها برداشت شدهاند. پس از برداشت نتایج آزمایشگاهی روند تغییرات فشارهاي دینامیکی در راستاي طولی جام به صورت روابط و نمودارهاي بدون بعد براي بخشهاي مختلف بستر جامهاي مرکب تعیین میگردد. در این راستا محل حداکثر فشار دینامیکی بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی مرکب نیز مشخص میگردد.
.1 مقدمه
پرتاب کنندههاي جامی اغلب در انتهاي سرریزهاي شوت و مجراي تندآبهاي سدهاي بزرگ به منظور استهلاك انرژي جریانهایی با سرعت زیاد طراحی و ساخته میشوند. تاکنون مدلهاي مختلفی از پرتاب کنندههاي جامی از قبیل جامهاي ساده، جامهاي شیاردار، جامهاي داراي منحرف کننده و حتی طرحهاي خاصی از قبیل جامهاي مرکب طرحی و ساخته شدهاند. ولی تاکنون طرح استانداردي که داراي دستورالعمل طراحی مشخصی باشد ارائه نگردیده است.
بدین منظور این مطالعه بر روي دو مدل هیدرولیکی از پرتاب کنندههاي جامی مرکب تعریف میشود. پرتاب کنندههاي جامی مرکب داراي یک شیب عرضی در بستر جام میباشند که این شیب تحت شرایط هندسی سازه سرریز و توپوگرافی منطقه تعیین میشود. این پرتاب کنندهها در مواردي که سرریز در جناحین سد قرار داشته باشد و نیاز به انحراف جت پرتابی از سمت دیوارههاي پایاب را داشته باشیم مورد استفاده قرار میگیرد که این انحراف توسط انحنایی در پلان جام تامین میگردد.
پرتاب کنندههاي جامی مرکب علاوه بر انحراف جت پرتابی به سمت دلخواه در پایاب با ایجاد چرخش در هسته جت توسط شیب عرضی بستر جام باعث افزایش استهلاك انرژي جت و اسپري شدن بیشتر جت در هوا میگردند.
تاکنون تحقیقات مختلفی با موضوع فشار بر روي پرتاب کنندههاي جامی به منظور طراحی سازه جام و دیوارههاي کناري آن انجام شده است.
در سال 1950 طراحی جام و دیوارههاي جانبی پرتاب کنندهها بدون در نظر گرفتن فشارهاي گریز از مرکز - Centrifugal Pressures - حاصل از چرخش جریان در جام انجام میگرفت و اغلب طراحیها با مقاومت این سازههاي تا مرحله شکست انجام میشد. به طور کلی فشار کل بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی برابر مجموع فشارهاي هیدرواستاتیک و فشار گریز از مرکز میباشد
در رابطه - 1 - میزان فشار P، عمق جریان ورودي به جام h0، سرعت ورودي به جام V0، شعاع جام R و g شتاب ثقل میباشد.
Ballofet سال 1961 توزیع سرعت در جامها را به صورت گرداب غیر چرخشی - ثابت - VR = در نظر گرفت و بر این اساس رابطه فشار بر روي انحناي جام را به صورت زیر بیان کرد:
در رابطه - 2 - نیز فشار حداکثر Pmax، عمق جریان ورودي به جام h0، سرعت ورودي به جام V0، شعاع جام R و g شتاب ثقل میباشد. Henderson و Tierney در سال 1963 نیز نشان دادند که براي نسبتهاي کوچک - h0/R - با به کارگیري نظریه گرداب پتانسیلی بین محاسبات دو بعدي و مقادیر مشاهدهایی تطابق مناسبی وجود دارد، به شرطی که زاویه انحناي جام کمتر از 45o انتخاب شود
chen و Yu در سال 1965 توزیع فشار در طول جامهاي دایرهایی شکل را با استفاده از معادله پتانسیل جریان براي زاویههاي انحناي جام بین 75 تا 95 درجه محاسبه نمودند که نتایج هد ماکزیمم فشار آنها با نظر Balloffet نزدیک بود.
Lenau و Cassidy در سال 1969 نظریه Chen و - 1965 - Yu را اصلاح نمودند. آنها با در نظر گرفتن یک جریان غیر قابل تراکم و غیر چرخشی یکسري از معادلات انتگرالی را به دست آوردند و با حل عددي توانستند، توزیع سرعت و فشار را در جامها به دست آورند. آنها نشان دادند که اثرات ویسکوزیته در جریان بر روي جامها ناچیز است و از طرف دیگر نیروي گرانش در جریان بر روي جامها اثر گذار است و بر این اساس رابطه Q/ - 2gH - 1/2R که در آن Q دبی جریان و H هد انرژي میباشد را ارائه نمودند
از آنجایی که هد استاتیک در مقایسه با هد دینامیک - V2/2g - کوچک است یک ترم دیگر با عنوان - ho/R - بیان میشود. به علاوه ترم بی بعد فشار آنها به صورت - P/ρgH - ارائه شد که در این ترم ρ چگالی سیال است و ممکن است به صورت P/ - ρV2/2 - نیز بیان شود. اگر هد فشار وابسته به عمق جریان ورودي به جام ho باشد میتوان نوشت:
در رابطه F0 - 3 - عدد فرود جریان ورودي به جام نامیده میشود و از رابطه F0=V/ - gh0 - 1/2 حاصل میشود. بنابراین حداکثر فشار در جامها وابسته به انحناي جام، عمق جریان ورودي به جام - h0/R - و عدد فرود جریان ورودي میباشد.
Joun و Hager در سال 2000 با انجام مطالعات آزمایشگاهی بر روي پرتاب کنندههاي جامی ساده با انحناي دایرهایی که در ابتداي یک کانال منشوري قرار داشت توزیع فشار بر روي پرتاب کنندههاي جامی را بدست آورند. به منظور تعیین توزیع فشارهاي دینامیکی پارامتر بی بعد Hp به صورت رابطه - 4 - ارائه شد که در آن hP فشار کل، ho هد فشار استاتیک و hPM فشار حداکثر برداشت شده در در راستاي طولی پرتاب کننده
جامی میباشد.
آنها با ترسیم تغییرات مقادیر Hp در سیستم مختصات Xp که با استفاده از زاویه انحناي جام و شعاع جام - - XP=x/Rsinβ بدون بعد شده است روند توزیع فشارهاي دینامیکی را بر روي بستر جامهاي ساده مشخص کردند
Heller و همکارانش نیز در سال 2005 در راستاي تکمیل آزمایشات Joun و Hager روابط مشابه و دقیقتري از توزیع فشارهاي دینامیک بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی با قوس دایرهایی را ارائه نمودند. بر این اساس توزیع فشارهاي دینامیک بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی که از تحلیل نتایج آزمایشگاهی بر روي مدلهاي مختلف هیدرولیکی حاصل شد که با پارامترهاي تعریف شده در رابطه قبل به صورت رابطه - 6 - میباشد
Steiner و همکارانش در سال 2008 به منظور تعیین تفاوت پارامترهاي هیدرولیکی بین جامهاي مثلثی و دایرهایی شکل آزمایشاتی را بر روي جام هایی مثلثی شکل با هندسههاي مختلف انجام دادند. آنها با تعریف پارامتر بیبعد فشار P= - hP+h0 - / - hPM+h0 - توزیع نسبی فشار دینامیکی بر مبناي مختصات نرمال شده XPM = xPM/x براي قبل از ورود به جام و بعد از ورود به جام تا لبهي جام را به صورت روابط زیر ارائه کردند
که در این روابط پارامتر ثابت ɛ با توجه به شرایط هندسی و هیدرولیکی جام تعیین میگردد و نتایج حاصل از مطالعه آنها براي جامهاي که داراي انحناي دایرهایی شکل هستند نیز قابل مقایسه هستند.[8] مطالعه حاضر نیز سعی دارد با استفاده از تحلیل نتایج آزمایشگاهی روابط بی بعد توزیع فشارهاي دینامیکی بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی مرکب را در موقعیتهاي مختلف عرضی جام را به همراه تعیین محل فشار دینامیکی حداکثر ارائه دهد.
.3 مواد و روشها
این مطالعه بر روي دو مدل هیدرولیکی مختلف از پرتاب کنندههاي جامی مرکب که در سرریز سد گتوند ساخته شده است انجام میگیرد.
مدل هیدرولیکی سرریز سد گتوند در موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو طراحی و ساخته شده است که پرتاب کنندههاي جامی مرکب، در انتهاي مجراي تندآب سرریز قرار دارند. کانالهاي ورودي منتهی به این پرتاب کنندهها داراي مقاطع مستطیلی شکل و تراز بستر مجراي سمت راست نسبت به
تراز مجراي سمت چپ پایینتر میباشد. شیب کانالهاي ورودي به این پرتاب کنندهها حدود %3/5 و طول افقی این کانال تقریباً 2 متر میباشد. شیب عرضی بستر جام در این پرتاب کنندهها در مقطع عرضی براي هر کدام از جام متقاوت است و هر دو جام داراي یک انحناي محوري در پلان میباشند که محور پرتاب کنندهها را تحت زاویه 24o درجه به سمت راست تغییر میدهد.
تندآب هاي منتهی به پرتاب کنندهها داراي دو مجراي به عرض خالص 34/5 سانتیمتر میباشد که پس از یک تندآب با شیب زیاد قرار دارند. تندآبها، کانال ورودي، پرتاب کنندههاي جامی مرکب و دیوارههاي جانبی از جنس ورق پلکسی گلاس شفاف ساخته و در مدل نصب گردیدهاند. ارتفاع دیوارههاي جانبی پرتاب کنندهها، کانال ورودي و پرتاب کنندههاي جامی به ارتفاع 12 سانتیمتر در نظر گرفته شدهاند. شکل - 1 - در سمت چپ نمایی کلی از مدل هیدرولیکی سرریز سد گتوند را نشان میدهد و در سمت راست نیز ساختار مدل هیدرولیکی پرتاب کنندههاي جامی مرکب را نمایش میدهد
شکل – 1 مدل هیدرولیکی سرریز سد گتوند و مدل هیدرولیکی پرتاب کنندههاي جامی مرکب
همانطور که در شکل - 1 - نیز نمایان است شیب عرضی بستر جامها در محورهاي کنار جداره و در محور مرکزي، در هر کدام از جامها متفاوت میباشد و هندسه جامهاي چپ و راست بایکدیگر متفاوت هستند. برداشت پارامترهاي هیدرولیکی مورد نیاز در دبیهاي مختلف و قابل کنترل انجام گرفته است ولذا سرعتهاي میانگین و عمق جریان - h0 - در محدودهایی از اعداد فرود به صورت مستقل تغییر مییابد. محدودهي تغییرات اعداد فرود به ازاي دبی-هاي 20 تا - Lit/s - 170 برابر 3/5 تا 7/5 میباشد که به ازاي این اعداد فرود فشارها بر روي بستر پرتاب کنندههاي جامی برداشت گردید.
در بستر هر دو پرتاب کننده در دو موقعیت عرضی نزدیک دیوارههاي جانبی و در وسط جام به صورت راستاي طولی قبل از ورود به جام تا لبه جام پیزومترهاي برداشت فشار نصب گردیدهاند. در شکل - 2 - سمت چپ، پلان جام هاي مرکب و موقعیت پیزومترهاي تعبیه شده بر روي بستر جامهاي چپ و راست را در مدل هیدرولیکی نشان میدهد و در سمت راست نیز سایر مشخصات هندسی از قبیل طول جام، ارتفاع لبه جام از تراز بستر و... تعیین شده است.
شکل – 2 پلان و مطقع جامها به همراه موقعیت پیزومترها بر روي بستر جامها و سایر مشخصات هندسی پرتاب کننده هاي جامی مرکب
