بخشی از مقاله
چکیده
پرش هیدرولیکی، یک جریان متغیر سریع در جریانهاي روباز میباشد و عبارت است از پدیده اي که در آن جریان از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل میشود. در اثر پدیده پرش هیدرولیکی عمق جریان در مسیر نسبتاً کوتاهی به میزان قابل ملاحظهاي افزایش یافته و نتیجتاً ضمن ایجاد افت انرژي محسوس، از میزان سرعت جریان به اندازه قابل توجهی کاسته میگردد. این پدیده یکی از پدیدههاي هیدرولیکی مهم جریان بوده و از ابتدا تا انتهاي آن یک تلاطم و پیچش سطحی وجود دارد. مطالعات اخیر نشان داده است که وجود زبري در کف می تواند بر مشخصات پرش مؤثر باشد، ضمن اینکه ممنتم خیلی کمتري ایجاد مینماید. این مقاله به ارائه نتایج مطالعه آزمایشگاهی در زمینه پرش هیدرولیکی بر بستر زبر به منظور بررسی اثر زبري بر میزان تنش برشی بستر میپردازد.
-1 مقدمه
پرش هیدرولیکی چنان خصوصیتی دارد که طی آن انرژي سینماتیک مازاد به انرژي گرمایی تبدیل می گردد. از این خصوصیت مهم است که از این پدیده بعنوان مستهلک کننده انرژي در پایین دست سرریزها، دریچه ها، تندآب ها و غیره استفاده می شود. اگر زبریها بطور یکنواخت بر روي سطح بستر پرش قرار گرفته باشند، پرش ایجاد شده را پرش هیدرولیکی بر روي بستر زبر گویند. این نوع پرش، شباهتهایی با پرش هاي ایجاد شده بوسیله بلوکها دارد. راجاراتنام - 1968 - اولین مطالعات سیستماتیک را در خصوص پرشهاي بر روي بستر زبر انجام داد.
او یک پارامتر بنام پارامتر زبري معرفی کرد که ks ارتفاع معادل زبري و ذh عمق جریان ورودي در بالاي زبریها است. در اینصورت سطح مبناي مشابهی نیز براي عمق آب پایاب در نظر گرفته می شود. او نشان داد طول غلطابی Lr و طول پرش L j بر روي بسترهاي زبر بطور قابل ملاحظهاي کاهش مییابد. لذا از این موضوع این چنین به نظر میآید که پرشهاي هیدرولیکی بر روي بسترهاي زبر برتري قابل توجهی را نسبت به حالت کلاسیک دارا میباشند.
از مطالعات انجام شده پرش هیدرولیکی بر بستر زبر میتوان به مطالعات راجاراتنام - 1968 - ، گیل - 1980 - ، هاگهس - 1984 - ، اید و راجاراتنام - 2002 - ، کارولو و فرو - - 2004 b، ایزدجو و شفاعیبجستان - 2004 - ، توکیاي - 2005 - ، کارولو و فرو - 2007 - ، االلهدادي و شفاعیبجستان - 2007 - ، کاظمیانزاده و شفاعیبجستان - - 2007، پاگلیارا و همکاران - 2008 - ، نیسی و شفاعیبجستان - 2009 - و نصراصفهانی و شفاعی بجستان - 1391 - اشاره کرد. با توجه به مطالب فوق به نظر می رسد، ضریب تنش برشی کف براي بستر زبر بزرگتر از کف صاف باشد، از اینرو در این مقاله به این موضوع پرداخته می شود.
-2 مواد و روشها
در این تحقیق از یک کانال آزمایشگاهی - فلوم - به منظور تشکیل پرش هیدرولیکی و برداشت داده ها استفاده گردید.کانال مورد استفاده، یک کانال فلزي با دیوارههاي شیشهاي با امکان تغییر شیب در طول 11 متر با عرض 30 سانتی متر و ارتفاع 40 سانتی متر بود. در ابتدا شیب عرضی و طولی کانال را در حالت افقی و صاف تنظیم کرده و براي برقراري اعداد فرود مختلف، ارتفاع دیواره مخزن در بالادست دریچه توسط صفحه فلزي به میزان 50 سانتی متر افزایش داده شده و مخزنی به ارتفاع 1/55 متر ایجاد شد.
ارتفاع آب ایجاد شده در مخزن و نیز میزان بازشدگی دریچه چنان انتخاب گردید که امکان دسترسی به اعداد فرود بالا فراهم آید. بازشدگی دریچه براي هر آزمایش در سه مقدار ثابت و برابر با 1، 1/5 و 2 سانتیمتر در نظر گرفته شد و با تغییر ارتفاع آب در مخزن امکان تولید اعداد فرود مختلف، بین 3 تا 17/7 فراهم گردید. همچنین از زبري طبیعی - با عع3/5 و =11تز - 2 در بستر استفاده شد، شکل - 1 - زبري بستر و شکل - 2 - یکی از پرشهاي تشکیل شده در این تحقیق را نشان می دهد.
شکل -1 بسترهاي زبر مورد آزمایش
شکل -2 نمایی پرش هیدرولیکی تشکیل شده بر بستر زبر
پس از برقراري دبی مورد نظر و اطمینان از تثبیت ارتفاع آب در پشت دریچه و همچنین تنظیم پرش در فاصله بین 8 تا 10 سانتیمتر از لبه صفحه فلزي افقی نصب شده بر روي دریچه و یک بار در نزدیکی صفحه فلزي، اندازه گیري پارامترهاي مورد نظر صورت گرفت. با توجه به این که بین دانه ها فضاي خالی وجود دارد هنگام خروج آب از زیر صفحه فلزي در اثر ایجاد برخورد جریان با زبري ها عمق جریان بسیار افزایش می یابد. لذا یک بار عمق اولیه پرش معادل بازشدگی دریچه و یک بار برداشت عمق اولیه در فاصله 8 سانتیمتري از صفحه فلزي در نظر گرفته شده است.
آزمایش ها
براي بستر صاف و دو بستر زبر با تز2 برابر 3/5 و 11 میلیمترانجام شده است که در هر آزمایش سه بازشدگی دریچه1، 1/5 و 2 سانتیمتر نیز در نظر گرفته شده است. در شکل - 3 - تغییرات ضریب تنش برشی کف در مقابل عدد فرود فوق بحرانی بر روي بستر زبر براي آزمایش هاي سري B و بستر صاف مشاهده می شود. همانطور که در این شکل مشخص است، ضریب تنش برشی کف با افزایش عدد فرود فوق بحرانی، براي هر دو بستر زبر و صاف افزایش می یابد. ضریب تنش برشی کف براي بستر زبر بزرگتر از کف صاف می باشد و با زیاد شدن عدد فرود فوق بحرانی، مقادیر ضریب تنش برش بستر زبر با سرعت بیشتري نسبت به بستر صاف افزایش می یابند. همچنین تغییرات عمق اولیه در توزیع ضریب برشی بی تأثیر است.
