بخشی از مقاله
چکیده
هنگام عبور سیلاب از سرریز سدها ،با افزایش سرعت و کاهش عمق ، در اثر برخورد جریان با ناهمواریها در طول سرریز منجر به جداشدن جریان از بستر شده وکاویتاسیون حادث می شود. محققین راه کارهای متفاوتی را برای مقابله با آسیب های کاویتاسیون بر سرریز سدها پیشنهاد کرده اندکه موثرترین آنها هوادهی می باشد. در این تحقیق با بیان عوامل تاثیر گذار در ایجاد و افزایش کاویتاسیون به راههای جلوگیری آن اشاره شده و ازمدل عددی WS77 جهت تعیین نقاطی که افت فشار در طول سرریز سد عباسپور رخ داده، مورد استفاده قرارگرفته است. نتایج نشان داد این پدیده در شرایطی بروز می کند که شاخص کاویتاسیون کمتر از 0/2 و حتی بیشتر از شاخص کاویتاسیون زبری کف باشد،.
مقدمه
از آنجا که مهار سیلاب های مخرب توسط سازه های عظیم آبی همچون سدهای مخزنی و سرریز آنها انجام می گیرد،که با لبریز شدن آب از روی سرریز1سدها انرژی پتانسیل موجود در مخزن آنها به انرژی جنبشی تبدیل شده و باعث افزایش سرعت وکاهش عمق جریان در امتداد طولی سرریز می گردد. در اثر برخورد جریان با ناهمواریها سرریز موجب جدایی جریان همراه با کاهش شدید فشار موضعی در پشت ناهمواری می شود.
با توجه به سرعت زیاد جریان، فشار در ناحیه جدایی ممکن است به حد فشار بخار آب رسیده و باعث تشکیل حبابهای ریز از بخار آب گردد، وقتی یک رشته از حبابهای مذکور از ناحیه کم فشار به ناحیه پرفشار پائین دست رسیده ناگهان انفجار درون حبابی حادث خواهد شد . چون سطوح تماس این حبابها با بستر سرریز بسیار کوچک می باشند نیروی فوق العاده زیادی در اثر این انفجارها به بسترهای سرریز ها وارد می کند . این عمل در یک مدت کوتاه و با تکرار زیاد انجام می شود که باعث خوردگی بستر سرریز می شود و به تدریج این خوردگیها تبدیل به حفره های بزرگ می شوند.[1] یک علت بتنهایی برای ایجاد پدیده خوردگی کافی نمی باشد، ولی ترکیبی از عوامل هندسی، هیدرو دینامیکی و عوامل وابسته ممکن است ایجاد خرابی بنماید مهمترین این عوامل عبارتند از:[2]
-1 عوامل هندسی:
الف- شکافهای دریجه های کشویی ،
ب- پایه های دریجه های قطاعی ،
ج -درزهای ساختمانی
-2 عوامل هیدرودینامیکی
دبی ویژه: اگر مقدار دبی عبوری از سرریز بیشتر از مقدار دبی ویژه باشد، سرعت جریان: بطوریکه هرچه سرعت جریان افزایش یابد، احتمال جدایی خطوط جریان از سطح بستر زیادتر بوده ودر نتیجه احتمال خوردگی افزایش می یابد.
-3 موارد دیگر:
- انتقال حرارت در حین عمل درون انفجاری:این عمل باعث تشدید فرایند درون انفجاری حبابهای بخار آب گشته ودر نتیجه میزان خوردگی افزایش می یابد.
- دمای آب:هرچه دمای آب بالا رود مقدار فشار آب افزایش می یابد و در نتیجه آب زودتر تبخیر شده و حبابهای بخار آب تشکیل می شود. براساس تحقیقات استینبرینگ[3]2در سال 1980 مشخص شد که حداکثر خرابی در نزدیکی انتهای ابر کاویتاسیونی اتفاق می افتد شکل - . - 1آزمایشات او تطابق نسبتا خوبی با مشاهدات خرابی در سرریز سد گلن کانیون دارد.
شکل - 1 - انواع ناهمواریهای منفرد در سازه های هیدرولیکی[5] این بررسیها نشان داد که فاصله شروع خرابی تا حداکثر خرابی با افزایش دبی یا افزایش ارتفاع ناهمواریها افزایش می یابد.او در تحقیقات قبلی خود در سال [4]1976 به این نتیجه رسیده بود که با کاهش مقدار شاخص کاویتاسیون و افزایش اختلاف آن با شاخص شروع کاویتاسیون، خرابی به آهستگی افزایش می یابد وبا کمتر شدن شاخص کاویتاسیون خرابی بیشتر می شود تا یک نقطه ماگزیمم واز آن به بعد خرابی کاویتاسیون ثابت می ماند
راهکارهای مقابله با پدیده کاویتاسیون
-1کاهش عدد کاویتاسیون بحرانی از طریق رفع نا منظمی های سطحی -2افزایش مقاومت در برابرکاویتاسیون با استفاده ازمواد و مصالح مقاوم نظیر بتن الیافی -3استفاده از ترکیبی از دو روش ذکر شده در فوق مانند استفاده از آسترهای فولادی -4دور کردن انفجارهای حباب های کاویتاسیون از مرز های جامد ودیواره ها -5هوادهی به جریان اقتصادی ترین و موثرترین روش مقابله با پدیده کاویتاسیون روش هوادهی می باشد.در جریانهای کاملا آشفته، هوایی که به طور طبیعی وارد جریان می شود در تمام سطح مقطع آن بطور یکنواخت توزیع می گردد.معمولا مقدارهوای موجود درسطح ولایه های زیر سطحی بیشتر بوده وهر چه عمق افزایش یابد. از مقدار هوای موجود در جریان کاسته می شود.
حجم هوایی که بطور طبیعی به داخل جریان های آشفته وارد می گردد، مستقیما تابعی از سرعت جریان می باشد [7] به منظور پیشگیری از کاویتاسیون لازم است که هوابا غلظت حدود8 درصد درجریان آب برروی سرریز وجود داشته باشد ودر هوادهی طبیعی برای تامین این مقدار می بایست شیب کف کانال بیش از 22/5 درجه باشد لذا درمحلی که غلظت هوا کمتر باشدجریان شکل - 2 - سیستم هواده بکمک یک پرتاب کننده از بستر جدا شده در نتیجه جداشدگی وکاهش فشار پایین تر از فشار اتمسفر باعث مکش هوا از تونلهای ارتباطی به پایین می شود شکل - - 2 لذا با وجود این تفاوت فشار باعث انحراف مسیر عادی جت آب می شود شونده تیغه آب با کف شوت برخورد می کند، مقدار زیادی هوا را وارد جریان می کند و قابلت تراکم پذیری آب را افزایش داده و از عمل درون انفجاری حباب ها را کاهش می دهد.
طراحی سرریز سدها باید بصورتی انجام پذیرد که خالی از عوامل بوجود آورنده کاویتاسیون باشد،. از آنجایی که ادر مراحل طراحی از مدلهای فیزیکی استفاده می شود و این مدلها نیز قادر به نمایان سازی پدیده در آزمایشگاه به دلیل مقیاس های کوچک نمی باشند، بنابراین در این تحقیقبا استفاده از مدل عددی ws77 سعی بر آن است نقاطی که باعث ایجاد کاویتاسیون می شوندرا مشخص نماییم .[8]
مشخصات میدانی
سد شهید عباسپور از نوع بتنی دو قوسی با ارتفاع 200متر و طول تاج 380 متر در فاصله 135 کیلومتری شمال شرقی اهواز احداث گردیده است.رقوم تاج سد 542متر ورقوم سطح آب 530متر و رقوم آستانه سرریز 510 متر است. . سرریز سد با ظرفیت تخلیه معادل16200متر مکعب در ثانیه منتهی به شوتی با مقطع مستطیلی که بوسیله دو دیوار میانی به سه دهانه تقسیم میشود که عرض هر یک از دهانه ها 18/5متر و دریچه های قطاعی به ارتفاع 20متر می باشد.
مدل عددی [9]ws77
زبان مورد استفاده جهت تهیه این مدل به زبان فرترن می باشد این مدل از سری مدلهای تهیه شده توسط موسسه USBRمی باشد. مدل مورد استفاده در سطوح آزاد جریان آب، برای محاسبات هیدرولیکی ومشخصه های کاویتاسیون بر اساس روش استاندارد گام به گام3در تعیین پروفیل سطح آب پایه ریزی شده و تغییرات تدریجی جریان را در یک کانال یکنواخت فرض می نماید مهمترین اقدامات این مدل در محاسبات شاخص کاویتاسیون جریان پیش بینی عملکرد کاویتاسیون و مقایسه این با شاخص های کاویتاسیون ناشی از ناهمواریهای سطحی می باشد .
برای این منظور باید شرایط سرعت وفشار در مجاورت ناهمواریها معلوم گردند. داده های ورودی را می توان ساخت و یا از یک فایل و یا بخش فعال مدل اجرا کرد . مدل کارایی انتخاب 40 ایستگاه و 15 دبی متفاوت را دارد. خروجی مدل شامل عمق جریان، سرعت، فشار پیزومتری، خط تراز انرژی، تاثیر ورود هوا، انواع پروفیل ها، اعماق نرمال وبحرانی و ضخامت لایه مرزی ، شاخص کاویتاسیون سطح، شاخص کاویتاسیون جریان می باشد.
