بخشی از مقاله
خلاصه:
امروزه پرش هیدرولیکی در مجراهای شیب دار بسته کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است و دلیل آن مسائل ناشناخته علمی است. پرش هیدرولیکی یک پدیده جالب در علم مهندسی آب است. در اینجا جریان سیال از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل میشود. در این تحقیق، برطبق نتایج آزمایشگاهی سایر محققان، پرش هیدرولیکی در یک مجرای بسته مستطیلی با شیبهای مثبت مختلف به صورت عددی و تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته است. در روش عددی از نرم افزار فلوئنت برای نه مدل با شیبهای مثبت 0/00، 0/01 و 0/02 استفاده شده است در این روش عمق ثانویه پرش 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 عددی از دادههای آزمایشگاهی دیگران مربوط به عمق آب فراتر از خروجی مجرای مستطیلی استفاده شد و نتایج این روش با آنها مقایسه گردید . نتایج این مقایسه نشان داد که جوابهای بدست آمده از طریق این روش با نتایج آزمایشگاهی دیگران مطابقت خوبی را با هم نشان میدهند.
واژگان کلیدی: پرش هیدرولیکی، مجرای شیبدار بسته، روش عددی، نرم افزار فلوئنت.
مقدمه:
پرش هیدرولیکی در علم هیدرولیک اهمیت فراوانی داشته لذا اکثر مطالعات صورت گرفته در این زمینه به صورت آزمایشگاهی بوده 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. 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 از روش مدلهای عددی با استفاده از نرم افزار فلوئنت، پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته شیبدار با شیب مثبت شبیهسازی گشته و جهت صحت سنجی، نتایج به دست آمده ازآن بانتایج 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 - 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 میتوان به سه دسته تقسیم نمود: مطالعات آزمایشگاهی، تحلیلی و شبیه ساز یهای 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 آرامش 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، شبیهسازی 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.
از این رو هدف از این پژوهش بررسی ارتباط بین پارامترهای موثر در پرش هیدرولیکی در مجراهای بسته شیب دار با شیب مثبت میباشد. تاکنون مطالعات زیادی در خصوص نحوه تشکیل و خصوصیات جهش هیدرولیکی در حوضچههای آرامش صورت گرفته و روشهای متعدد تحلیلی و تجربی فراوانی برای پیش بینی وضعیت و خصوصیات جهش هیدرولیکی در شرایط مختلف جهت طراحی بهینه و اقتصادی ارائه گردیده است.از دیگر اهداف این پژوهش استفاده از مدلهای عددی جهت ارائه یک رابطه بین پارامترهای موثر در پدیده پرش هیدرولیکی در مجاری بسته شیب دار با شیب مثبت میباشد و با تحقیقات آزمایشگاه پیشین مقایسه گردد.
استخراج دادهها 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 جمع آوری کلیه دادهها جدول - 1 - سایر پارامترها به دست آمده. :S0شیب 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، :ϴزاویه کف کانال با افق، :Wارتفاع زیر دریچه - برابر است با 0. 58 d1 - ، L0-1 فاصله دریچه تا مقطع - 1 - ، :Lr= L1-2 فاصله مقطع - - 1 و - 2 - - طول پرش هیدرولیکی - ، :L2-3 فاصله 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
