بخشی از مقاله
خلاصه:
جهش هیدرولیکی یک پدیده جالب در علم مهندسی آب است. در اینجا جریان سیال از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل میشود. دراین پدیده افت انرژی در بسیاری حالات بالا است و بخاطر این موضوع جهش هیدرولیکی در بسیاری از سازههای مستهلک کننده انرژی به کار گرفته میشود. امروزه جهش هیدرولیکی در کانالهای شیب دار بسته کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است و دلیل آن مسائل ناشناخته علمی است که در این موضوع نهفته است. تحقیقاتی در گذشته محدود به یافتههای آزمایشگاهی در کانالهای بسته مستطیلی و با شیبهای کم را در بر میگیرد. این یافتهها محدود میشوند به بدست آوردن عمق آب بعد از مجرای بسته بر اساس عمق اولیه جهش هیدرولیکی. تحقیق، برطبق نتایج آزمایشگاهی سایر محققان، جهش هیدرولیکی در یک کانال بسته مستطیلی با شیبهای مثبت مختلف به صورت عددی و تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است. در روش تحلیلی از 3377 سری دادهها برای پیش بینی پارامترها استفاده گردید. در روش تحلیلی عمق ثانویه جهش هیدرولیکی، طول پرش، عمق جریان بلافاصله پس از مجرا و عمق جریان فراتر از خروجی مجرا لحاظ و پیشبینی گردید. به دلیل اعتبار بخشی روش تحلیلی از دادههای آزمایشگاهی دیگران مربوط به عمق آب فراتر از خروجی کانال مستطیلی استفاده شد و نتایج این دو روش با هم مقایسه گردید، نتایج این مقایسه نشان داد که جوابهای بدست آمده از طریق این روش با نتایج آزمایشگاهی دیگران با هم مطابقت دارند و نتایج خوبی قابل مشاهده است.
واژگان کلیدی: کانال بسته،کانال شیبدار، جهش هیدرولیکی، عمق ثانویه، روش تحلیلی.
مقدمه:
پدیده جهش هیدرولیکی از اهمیت به سزایی برخوردار بوده ولیکن اکثر تحقیقات انجام گرفته در این زمینه به صورت آزمایشگاهی بوده است، محققین قبلی کاری در زمینه روش تحلیلی که بتوان تمام پارامترهای حاصله از ابتدای پرش تا انتهای مجرای بسته بوجود می آید را مورد بررسی و اندازه گیری قرار داد انجام نداده اند و این کار را غیر قابل انجام دانسته اند. 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. نوع پرش هیدرولیکی وابسته به سرعت اولیه سیال است. اگر سرعت اولیه سیال کمتر از سرعت بحرانی باشد، پرشی رخ نمیدهد . در این پژوهش با استفاده ازروش ریاضی - تحلیلی هیدرولیکی - ، پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته شیب دار با شیب مثبت شبیه سازی گشته و جهت صحت سنجی، نتایج به دست آمده ازآن با نتایج آزمایشگاهی موجود مورد مقایسه قرارمی گیرد. در این تحقیق روی مقادیر عمق ثانویه پرش، طول پرش هیدرولیکی Lr، عمق جریان بعد از مجرا yd و عمق آب بعد از مجرا d₃ و همچنین عمق آب یکنواخت در انتهای پرش Dt - عمق پایاب - و همچنین افت انرژی در طول پرش هیدرولیکی با استفاده از روش تحلیلی هیدرولیکی کار شده و به نتایج مطلوبی رسیده است که تا کنون در این زمینه کاری صورت نگرفته است.بطور کلی مطالعه و تحقیق در مورد پرش هیدرولیکی را می توان به سه دسته تقسیم نمود: مطالعات آزمایشگاهی، تحلیلی وشبیه سازیهای نرم افزاری. پیشینه تحقیقات انجام گرفته در زمینه پرش هیدرولیکی در کانالهای باز و بسته: اسمیت و ونتو چن در سال 1989 به بررسی جهش هیدرولیکی در یک لوله مربعی شکل با شیب زیاد پرداختند.
عبدالعظیم نگم، الحمید و حسین در سال 1994 به اندازه گیری پروفیل پرش بر روی سطح شیب دار، از جمله پرش با شیب مثبت و منفی در کانال مستطیلی باز پرداختند. عبدالعظیم نگم در سال 2003 پرشهای هیدرولیکی شکل گرفته در کانالهای آزمایشگاهی شیبدار مستطیلی بسته را مورد بررسی قرار داد. بیرامی و چمنی در سال 2003 با مطالعه جهش روی شیب معکوس در پایین دست سرریز اوجی، نوع جدیدی از جهش به نام B-F را معرفی کردند که در این نوع ابتدای جهش روی شیب مثبت و انتهای جهش روی شیب منفی تشکیل میگردد. محمد کریم بیرامی و مریم ایلاقی حسینی در سال 2004 کنترل پرش هیدرولیکی در حوضچه ارامش افقی سرریز اوجی استاندار را با استفاده از یک و دو دیوار ممتد مورد بررسی قرار دادند. قون ژائو و همکاران در سال 2004 در این مقاله، شبیه سازی عددی پرش هیدرولیکی آشفته را توصیف کردند. ناتان جان لو در سال 2008 تئوری خطی برای عمق ثانویه حاصل از پرش هیدرولیکی کامل و غیر کامل برای لولههای بسته به هر شکل به منظور پیش بینی ویژگیهای پرش هیدرولیکی برای طراحی کانال را تعیین کرد. امیر کرد نوشهری، محمد حسین امید و صلاح کوچک زاده در سال 2009 اثر آستانه لبه تیز بر بهبود مشخصات جهش هیدرولیکی در یک حوضچه آرامش واگرا را مورد بررسی قرار دادند.
عباسپور، فرصادی زاده، دلیر وصدرالدین در سال 2009به مطالعه جهشهای هیدرولیکی برای تخلیه انرژی جنبشی در پایین دست سازههای هیدرولیکی پرداختند. محمود شفاعی بجستان و کبری نیسی در سال 2009 اثر اجزای زبر با شکلهای مختلف بر تنش برشی بستر و عمق مزدوج پرش هیدرولیکی در کانالهای مستطیلی افقی را مورد بررسی قرار دادند. محمد کریم بیرامی و چمنی در سال 2010 در این مقاله به مطالعه گرداب پرش و افت انرژی از انواع گسترده پرش هیدرولیکی در کانالهای افقی و شیب دار پرداختند. رضا بدیع زادگان و همکاران در سال 2011 یکی از مهمترین پدیدههای هیدرولیکی - پرش هیدرولیکی - در جریانهای متغیر سریع را مورد بررسی قرار دادند. عاطفه نژندعلی، کاظم اسماعیلی، جواد فرهودی، زینب راور در سال 2011 به بررسی پرش آبی در حوضچههای آرامش پرداختند. عبداالله الحمیدان در سال 2012 به مطالعه جریانهای متلاطم در کانال مستطیلی شیب دار مثبت و شیبدار معکوس پرداخت. آتیا در سال 2013 در این مقاله، به مطالعه آزمایشگاهی جهت بررسی جریان آشفته و مشخصات جریان پرداخته است.
روابط ارایه شده برای محاسبه مشخصات جهش هیدرولیکیغالباً، با فرضیاتی از قبیل صرفنظرکردن از اثر نیروی ناشی از اصطکاک بین سیال و جدار سازه موردنظر و همچنین صرف نظر کردن از نیروی ناشی از وزن بدست آمده اند. اما در صورتی که شرایط بستر از قبیل زبری و یا شیب کف تغییر کند، دیگر نمیتوان از اثر اصطکاک بین سیال و بستر کانال و یا از اثر نیروی وزن صرف نظر کرد و بسته به شیب کف کانال، ارتفاع زبری، میزان دبی و در نتیجه عدد فرود جریان، مشخصات جریان شامل تنش برشی و پایداری آن با جریان روی بستر افقی و صاف متفاوت است و در نتیجه خصوصیات جهش هیدرولیکی نیز تغییر خواهند کرد. به این جهت بررسی ارتباط بین پارامترهای موثر بر پرش لازم میباشد. از این رو هدف از این پژوهش بررسی ارتباط بین پارامترهای موثر در پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته شیب دار با شیب مثبت با روش تحلیلی میباشد.
استخراج داده ها از مدلهای آزمایشگاهی دیگران:
با بررسی پرشهای هیدرولیکی شکل گرفته در کانالهای آزمایشگاهی شیبدار مستطیلی بسته شکل - 1 - توسط عبدالعظیم نگم در سال 2003 که این آزمایشها در یک کانال آزمایشگاهی انجام شد و نوزده مدل در آزمایشگاه تست شد که 10 مدل مربوط به شیب مثبت و 9 مدل مربوط به شیب منفی میباشد، کلیه دادههای نمودارهای حاصل از مدلهای آزمایشگاهی را بوسیله نرم افزار Plot Digitizer، استخراج و پس از جمعآوری کلیه دادهها جدول - 1 - سایر پارامترها به دست آمده. :60شیب کف کانال، :Fr1عدد فرود در مقطع - 1 - ، :d1عمق آب در مقطع - 1 - ، :d2 عمق آب در مقطع - 2 - ، :d3 عمق آب در مقطع - - 3، :ydعمق جریان بعد از مجرا در مقطع - 3 - ، :Dt عمق آب در مقطع - - 4، :Dارتفاع کانال بسته، :زاویه کف کانال با افق، :W ارتفاع زیر دریچه - برابر است با 0. 58 G1 - ، L0-1 فاصله دریچه تا مقطع - 1 - ، :Lr= L1-2 فاصله مقطع - 1 - و - 2 - - طول پرش هیدرولیکی - ، :L2-3فاصله مقطع - 2 - و - 3 - ، :L3-4 فاصله مقطع - 3 - و - 4 - ، :b عرض
کانال b=0/1 - متر در نظر گرفته میشود - ، :R انحراف از معیار
