بخشی از مقاله
چکیده- پرش هیدرولیکی یک نمونه بارز از جریان های متغیر سریع میباشد که در فاصله کوتاهی جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی تغییر می نماید. پدیده پرش هیدرولیکی منجر به افزایش عمق جریان در فاصلهنسبتاً کوتاه گشته و همچنین افزایش تلاطم در جریان را به همراه دارد، و ضمن ایجاد افت انرژی قابل توجه، سرعت جریان به میزان محسوسی کاهش می یابد این پدیده امکان استهلاک انرژی اضافی آب را در پایین دست سازه های هیدرولیکی نظیر سریزها، تندآب ها، و دریچه ها فراهم می آورد. تاکنون تحقیقات گسترده ای در خصوص تشکیل پرش هیدرولیکی و پارامترهای موثر بر آن در کانال های روباز انجام گرفته است ولیکن در این پژوهش، چگونگی ارتباط بین پارامترهای موثر بر پدیده پرش هیدرولیکی درکانال های بسته شیبدار منفی بررسی میگردد.
پدیده پرش هیدرولیکی از اهمیت بسزایی برخوردار بوده ولیکن اکثر تحقیقات انجام گرفته در این زمینه به صورت آزمایشگاهی بوده است، لذا در این پژوهش با استفاده از روش ریاضی و مدل های عددی، پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته با شیب صفر با نرم افزار Fluent شبیه سازی گشته و جهت صحت سنجی، نتایج به دست آمده از آن با نتایج آزمایشگاهی موجود مورد مقایسه قرار می گیرد. هدف از تحقیق حاضر بررسی تاثیر شیب کف کانال روی مشخصات جهش هیدرولیکی شامل نسبت عمق ثانویه d2 در قسمت بسته کانال و عمق بلافاصله بعد از مجرای بسته d3 و عمق نهایی d4 ، طول گرداب پرش Lr و افت انرژی در مجاری بسته مستطیلی می باشد که شیب 0.0 با پنج فرود مختلف 4.093 - و 4,617 و 5.037 و 5,562 و - 5,982 توسط نرام افزار Fluent مدل سازی شد و نتایج بدست امده با نتایج ازمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت . همچنین سعی شده با استفاده از مدل های عددی یک رابطه بین پارامترهای موثر در پدیده پرش هیدرولیکی در مجاری بسته با شیب صفر ارائه گردد و با تحقیقات آزمایشگاه پیشین مقایسه گردد یکی از اهداف پژوهش حاضر را می توان بررسی قابلیت مدل های عددی در شبیه سازی پدیده پرش هیدرولیکی در مجاری بسته شیب دار با شیب منفی نام برد.
مقدمه
پرش هیدرولیکی، جهش هیدرولیکی یا پرش آبی پدیدهای در علم هیدرولیک است که در جریان کانال باز مورد بحث قرار میگیرد. هنگامی که در یک کانال با سطح آزاد، در بالادست جریان فوق بحرانی و در پاییندست جریان زیر بحرانی وجود داشتهباشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ میدهد که با استهلاک انرژی زیادی همراه است. نوع پرش هیدرولیکی وابسته به سرعت اولیه سیال است. اگر سرعت اولیه سیال کمتر از سرعت بحرانی باشد، پرشی رخ نمیدهد. برای سرعتهایی نیز که چندان بالاتر از سرعت بحرانی نیستند، انتقال انرژی به صورت امواج متلاطم پدیدار میشود. بعد از این مقدار هرچه سرعت اولیه سیال افزایش یابد، انتقال انرژی سریعتر میشود، تا جایی که در سرعتهای بالا، ذرات سیال از آن جدا شده و به سوی بالا پرت شده و به سمت جریان بازمیگردند. وقتی این اتفاق میافتد، پرش همراه با اثرات شدید تلاطم ناشی از جریان مانده و گردابی هوا و امواج سطحی میشود. پرش هیدرولیکی باعث کاهش انرژی آب میشود که در جلوگیری از تخریب دیواره کانالها بر اثر سرعت زیاد آب، کاربرد دارد. همچنین آشفتگی ایجاد شده در حین پرش، میتواند در مخلوط کردن مواد شیمیایی با آب و نیز هوادهی آب مورد استفاده قرار گیرد.
در علم هیدرولیک، پرش هیدرولیکی پدیدهای برگشت ناپذیر از نوع جریان متغیر سریع است که بیشتر در جریانهای با سطح آزاد مثل جریان رودخانهها و جریان خروجی از سرریزها و دریچهها مورد بحث قرار میگیرد. هنگامی که در باﻻدست یک کانال با سطح آزاد، جریان فوق بحرانی و در پاییندست آن، جریان زیر بحرانی وجود داشته باشد،در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ میدهد. زیرا تبدیل جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی به صورت ملایم امکانپذیر نیست؛ بنابراین در پدیده پرش هیدرولیکی، جریان از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل میشود. این تبدیل به صورت ناگهانی و در فاصلهای کوتاه رخ میدهد و به دلیل ایجاد آشفتگی در سطح آب، با استهلاک انرژی زیادی همراه است.
2 پرش هیدرولیکی در مقاطع باز و بسته:
یکی از مهمترین پدیده های هیدرولیکی در جریان های متغیر سریع، پرش هیدرولیکی میباشد که در فاصله کوتاهی جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی تغییر مینماید. این پدیده امکان استهلاک انرژی اضافی آب را در پایین دست سازه های هیدرولیکی نظیر سریزها، تندآب ها، و دریچه ها فراهم میآورد. همچنین هرگاه در فواصلی از مسیر کانال های انتقال آب، شیب طبیعی زمین از شیب لازم برای کف کانال تندتر باشد، جهت انتقال آب از سطح بالاتر به پایین تر از شیب شکن استفاده می گردد . برای دبی های کمتر از 1/5 متر مکعب در ثانیه و اختلاف ارتفاع تا 4/5 متر از شیب شکن های لوله ای استفاده می شود. در شیب شکن لوله ای شاهد پدیده پرش هیدرولیکی در مجاری بسته بوده لذا شناخت این پدیده در مجراهای بسته ضروری به نظر می آید. تاکنون تحقیقات گسترده ای در خصوص تشکیل پرش هیدرولیکی و پارامترهای موثر بر آن در کانال های روباز انجام گرفته است ولیکن در این پژوهش، نحوه ارتباط بین پارامترهای موثر بر پدیده پرش هیدرولیکی در کانال های بسته شیبدار با شیب منفی بررسی می گردد. هنگام عبور آب از روی سرریز یا خارج شدن آن از مجراهای تحتانی دارای سرعت فوق العاده زیادی می باشد. در این شرایط جریان فوق بحرانی بوده و انرژی جنبشی زیاد و مخرب دارد. برای از بین بردن انرژی جنبشی مخرب آب، از سازه های مستهلک کننده انرژی - حوضچه های آرامش - استفاده می گردد. حوضچه های آرامش توسط پرش هیدرولیکی، انرژی جنبشی مخرب آب را مستهلک می کنند.
