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 در کانال های بسته شیبدار منفی بررسی می گردد. 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 شیب دار با شیب منفی 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 شیبدار منفی می باشد که شیب -0.01 و -0.02 با سه فرود مختلف 4.093 - و 5.037 و - 4.617 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 شیب دار با شیب منفی 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.
1 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 داشتهباشد، 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.
1-1 پرش روی سطح شیبدار4]و[1
اگر شیب کانال قابل توجه باشد - - 6 ، باید اثر نیروی وزن سیال در معادله اندازه حرکت در نظر گرفته شود. در این حالت، نسبت میان عمقهای مزدوج از رابطه زیر به دست میآید:
- 1 - در رابطه بالا G به صورت تابعی از - Fr1عدد فرود اولیه - و محاسبه میشود:
- 2 - که در آن، L طول پرش، K ضریب تصحیح و d1=y1FRV و d2=y2FRV عمق آب روی سطح شیبدار هستند. پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته زمانی رخ می دهد که عمق آب در ورودی مجرا کمتر از عمق بحرانی و همچنین خروجی مجرا مستغرق باشد. پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته بلافاصله پایین دست دریچه های کنترل به فراوانی مشاهده شده است. در مجاری بسته سطح آزاد اولیه جریان فوق بحرانی به یک جریان تحت فشار در پایین دست پرش هیدرولیکی تبدیل می گردد و عمق ثانویه بوسیله ارتفاع مجرا تعریف می گردد. در این شرایط عمق پایین دست جریان، سطح آزاد زیر بحرانی را معرفی می نماید . موقعیت تشکیل پرش در مجرا به تغییرات عمق اولیه، ارتفاع مجرا، عمق پایین دست و شیب مجرا بستگی دارد. از این رو بررسی ارتباط بین پارامترهای موثر بر پرش لازم می باشد. در این تحقیق نشان داده شده که با استفاده از معادلات پیوستگی و مومنتم و همچنین معادله انرژی می توان عمق ثانویه پرش به عمق اولیه پرش در مجرای بسته - d2/d1 - ، طول گرداب پرش به ارتفاع اولیه پرش در مجرای بسته - lr/d1 - و نسبت عمق جریان بلافاصله بعد از مجرای بسته به عمق اولیه پرش - d3/d1 - و عمق نهایی جریان به عمق اولیه پرش - d4/d1 - را بدست آورد.در شکل 1 بررسی پرش هیدرولیکی در یک محیط بسته که بعد از آن به محیط باز وصل میشود نشان داده شده است:
2-1 طول پرش[1]
طول پرش - Lj - به صورت فاصله میان شروع پرش تا پایان آخرین موج آشفتگی تعریف میشود و در محاسبات طراحی، به کار میرود. بر اساس پژوهشهای انجام شده، رابطهها و نمودارهای گوناگونی برای تعیین طول پرش ارائه شدهاند. یکی از رابطههای مورد استفاده برای محاسبه طول پرش در کانالهای مستطیلی، توسط اداره عمران و آبادانی آمریکا، به صورت زیر معرفی شدهاست: - 3 -
3-1 کاربرد و خواص پرش هیدرولیکی [1,3,5]
- کاهش انرژی آب در جریان از روی سدها، سرریزها و دیگر سازههای هیدرولیکی و نهایتاً محافظت قسمتهای پایین دست.
- ترمیم و افزایش سطح آب در کانالها به منظور پخش آب.
- افزایش دبی خروجی از زیر دریچها با دور نگه داشتن سطح پایاب و نهایتاً افزایش ارتفاع مؤثر در عرض دریچه.
- کاهش فشار بالابرنده در زیر سازهها با افزایش عمق آب در دامنه سازه.
- مخلوط نمودن مواد شیمیایی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز جهت مصارف کشاورزی.
