بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اقدام به تخمین ضرایب مقاومت جریان در محیط متخلخل به روش بهینهسازی تبرید تدریجی در نرم افزار متلب با بکارگیری تئوری جریان متغیرتدریجی بوسیله اندازهگیری پروفیل جریانهای زیرسطحی درون مصالح سنگدانهای در یک مدل آزمایشگاهی کرده که مورد بحث و بررسی قرارگرفت. مدل آزمایشگاهی با زهکش سنگدانهای به طول 1/5 متر، عرض 0/48 متر و ارتفاع 1 متر ساخته که از مصالح سنگدانهای گردگوشه d50=7cm به عنوان محیط متخلخل استفاده شد.
برای هر آزمایش دبیهای مختلف جریان آب ایجاد گردید. آزمایشها اجرا و پروفیل جریان در نقاط مختلف محیط متخلخل، از ابتدا تا انتها با فاصلههای معین درون مصالح سنگدانهای ثبت شد. در پایان با عمقهای مختلف جریان، مقدار گرادیان هیدرولیکی جریان متغیرتدریجی هر دو نقطه محاسبه شد. و آن را برابر با گرادیان حاصل از معادله نمایی جریان غیردارسی در همان دو نقطه قرارداده و با استفاده از مجموع مربعات تفاضل گرادیانهای محاسباتی و مشاهداتی اقدام به بهینهسازی ضرایب معادله نمایی نموده و ضرایب بهینه بوسیله برنامه ذکر شده بدست آوردیم و در دیگر دبیهای آزمایش شده اعتبارسنجی شد که این اعتبار سنجی تایید کننده ضرایب بدست آمده بود.
مقدمه
محیطهای متخلخل درشت دانه کاربرد وسیعی در سدسازی، خاکریزیها، توسعه سواحل، ریپرپها و موج-شکنها دارد.جریات نفوذی و گذرنده درسدهای سنگدانهای، نسبت به یک سد معمولی قابل توجهتر است. همچنین نیروهای نشتی وارده بر دانههای درشتدانه کاملا با نیروهای وارده بر مصالحی که جریان دارسی در آنها برقرار است، متفاوت خواهد بود. شبکه جریان نشتی درون محیط درشتدانه با عدد رینولدزجریان تغییر میکند.
به دلیل آشفتگی جریان در محیطهای درشت دانه، برای تعیین دبی نشت نیروهای نشت وشبکه جریان در ساختار دانه درشت، بهرهگیری از یک رابطه قابل اعتماد غیر دارسی اهمیت بالایی دارد. دانشی از ارتباط بین سرعت و گرادیان هیدرولیکی لازمهی طراحی مهندسی سازه های دانه درشت در معرض عبور جریان است. موضوع این پژوهش پیرامون یافتن رابطه ای است که بتواند خصوصیات جریان در نمونه ی ازمایش شده در این پژوهش را به خوبی توصیف نماید.
طی چند دهه اخیر کارشناسان و محققین رشتههای مختلف علوم و مهندسی به دنبال شناخت بیشتر و بهتر رفتار پیچیدهی جریان غیر دارسی در محیط متخلخل بوده اند. در این سالها، پژوهشگران با انجام تحقیقات متعددی همچون تحقیقات تحلیلی پژوهشهای آزمایشگاهی و محاسبات عددی، مدلهای غیرخطی مختلفی را یافته و پیشنهاد نموده اند که هر یک از این مدلهای غیرخطی دارای نقاط ضعف و قوت مخصوص به خود هستند
در برخی از مدلها مانند آرگون - - 1952، ویلکنز - - 1956، مککرکودیل - - 1978، استیفنسن - - 1979، و مارتیس - - 1990، ضرایب جریان نشتی تنها به پارامترهای فیزیکی مصالح سنگریزه ای بستگی دارند. اما در روابط دیگر همچون وارد - - 1964، این ضرایب تنها با این پارامترها قابل تعیین نبوده وتعیین ازمایشگاهی هدایت هیدرولیکی لازم خواهد بود. با توجه به هزینه های بالای آزمایشات، تعیین ضرایب نشت روابط غیر دارسی بر حسب پارامترهای از قبل معلوم محیط سنگریزهای مورد علاقه و توجه بوده است محققین مختلف، پارامترهای فیزیکی مختلفی از محیط متخلخل را به جهت تعیین ضرایب روابط نشت مورد بررسی قرار داده و تاثیر آنها را در آزمایشات مختلف همراه با اعمال تغییرات بر اندازه، شکل و نوع مصالح تعیین کرده اند.
از آنجایی که جریان سیالات در محیطهای متخلخل درشت دانه در کاربردهای متداول به صورت غیر دارسی است و لذا برای تحلیل های مهندسی نمی توان از روابط خطی مثلا معادله لاپلاسی استفاده نمود. به عبارت دیگر در این مصالح بین سرعت جریان - v - و گرادیان هیدرولیکی - i - ارتباط خطی برقرار نبوده و رابطه حاکم به صورت نمایی یا درجه دوم خواهد بود. از دیر باز پژوهشگران برای برآورد گرادیان هیدرولیکی برحسب سرعت متوسط جریان در مصالح دانه درشت، روابط ارائه شده را میتوان به دو صورت کلی زیر، طبقه بندی نمود:
که به رابطه فورشهایمر معروف است که m وn ضرایبی هستند که تابعی از ویژگیهای جریان و محیط متخلخل هستند و معمولا با روشهای آزمایشگاهی تعیین میشود.
که در این رابطه a وb مقادیری وابسته به خصوصیات محیط متخلخل وسیال هستند. سهولت استفاده از رابطه نمایی سبب شده تا این رابطه توسط پژوهشگران مختلف و به شکلهای گوناگونی مورد استفاده قرار گیرد. لذا شایان ذکر است که هر یک از محققین مربوطه، تعیین ضرایب را منوط به مجموعه ای از خصوصیات مصالح سیال و سرعت ظاهری - یا عدد رینولدز - دانسته اند و در نتیجه سازگاری اندکی بین مقادیر ضرایب ارائه شده آن ها برای یک مجموعه مفروض از داده های مهندسی وجود دارد. از طرفی دیگر علی رغم این اختلافات، پذیرشی فراگیر وجود دارد که فارغ از روش به کار گرفته شده در تعیین ضرایب برای یک مصالح مفروض و در محدوده نسبتا مشخصی از اعداد رینولدز، میتوان ضرایب a وb را با ضرایب تقریب مناسبی، ثابت در نظر گرفت.
جانسون در سال - - 1971، لپس در سال - - 1972، فلتون و هره را در سال - 1995 - ، فورا و همکاران در سال - - 2004، چنگ و همکاران در سال - - 2008، و موتسوپولوس و همکاران در سال - - 2005، هر یک با برداشت های سلیقه ای به ارائه مدلی برای تحلیلهای غیر خطی ولی ماندگار در محیط های متخلخل دانه درشت پرداختند.
خلیفه و همکاران - - 2000، مطالعهای برروی تاثیر میزان آلودگی محیط متخلخل برروی ضریب نفوذپذیری مصالح مطالعه کردند که رابطهای بر مبنای فرمول هیزن برای آن ارائه دادند.
روچا و کروز در سال - - 2010، مطالعهای منتشر نمودند که در جریان سه بعدی نشت کننده سیال غیر قابل تراکم درون محیط متخلخل را به روشهای تحلیلی و ادبی حل کرده بودند.
بلهوف و همکاران - 2010 - ، به مطالعهای در مورد رابطهای چند جملهای برای توصیف جریان درون محیطهای متخلخل در محدوده اعداد رینولدز پایین پرداختند که رابطه پیشنهادی به صورت یک سری نامتناهی چندجمله ای برحسب سرعت جریان بود.
زیکزینگ در سال - - 2011، به بررسی آزمایشگاهی خصوصیات نشت در محیطهای ماسه سنگی با تخلخل های مختلف پرداختند که حاصل کار نشان داد که نشت وابستگی نزدیکی به اندازه مصالح و مقدار فشار بر روی آن و ساختار خلل فرج دارد.
مارتینز - - 2007، مطالعهای بر روی مورفولوژی حفرهها و مجاری انجام داد و به این نکته پی برد که خصوصیات جریان درون محیطهای با ذرات کروی، متناسب با حجم فضای خالی و چگونگی توزیع آن درون محیط مذبور تغییر میکند.
شکری و همکاران در سال - - 1390 به بررسی آزمایشگاهی جریان غیر ماندگار درون محیط متخلخل سنگریزه-ای پرداختند که به نتیجه آن رابطه ارائه شد.
عزیزی و همکاران در سال - - 1387، به مطالعه تاثیر پارامتر تخلخل برگرادیان هیدرولیکی در سرریزهای پلکانی و گابیونی پرداختند که نتیجه گرفتند که تخلخل بیشتر از شیب پایین دست برمیزان افت فشار انرژی جریان تاثیر میگذارد و با کاهش تخلخل، افت انرژی افزایش مییابد.
ملک نژاد یزدی و همکاران در سال - - 13 89، مطالعهای در مورد بکارگیری سیستم استنتاج فازی عصبی تطبیقی در تحلیل هیدرولیکی جریان در محیط متخلخل پارهسنگی انجام دادند. به این نتیجه رسیدند که مدل بدلیل ساختار هوشمند خود قادر است با محاسبه روی دادههای عددی و یا مثالها، بدون اطلاع از ماهیت و نحوه عملکرد آنها قانون نهفته در ورای آنها شناسایی کند.
بازرگان و شعاعی در سال - 1386 - ، مطالعه در مورد تحلیل جریانهای غیر دارسی در مصالح سنگریزهای با استفاده از تئوری جریانهای متغییرتدریجی پرداختند که نتیجه آن روابط جدیدی برای به دست آوردن گرادیان هیدرولیکی مورد استفاده در تئوریهای جریانهای متغییرتدریجی را حاصل داد
