بخشی از مقاله
خلاصه
کاربرد کانال هاي مثلثی در انتقال جریان هاي با دبی کم می باشد، اما به علت کاربرد هاي محدود، تحقیقات کاملی بر روي شناخت پارامترهاي هیدرولیکی آن نظیر سرعت متوسط عمقی و توزیع تنش برشی صورت نگرفته است. براي این منظور از روش شیونو و نایت که براي تخمین توزیع سرعت متوسط عمقی و تنش برشی، پارامترهاي جریان را مد نظر قرار داده، استفاده شده است. پارامتر هایی که در این رابطه نیاز به کالیبره شدن دارند، فاکتور اصطکاك f، لزجت چرخشی عرضی و جریان ثانویه می باشند.
با ثابت در نظرگرفتن لزجت چرخشی عرضی بر اساس آزمایش هاي صورت گرفته و کالیبره کردن پارامترهاي فاکتور اصطکاك و جریان ثانویه در رابطه شیونو و نایت، موقعیت و جهت چرخش سلول هاي جریان ثانویه را می توان تعیین نمود و بهترین تخمین از توزیع Ud و τ را بدست آورد.
کلمات کلیدي: جریان درکانال باز، سرعت متوسط عمقی، سلول جریان ثانویه، کانال مثلثی
مقدمه
اغلب از کانال هاي مثلثی در دبی هاي کم و در جمع آوري آب هاي سطحی استفاده می گردد. به علت محدودیت استفاده از مقاطع مثلثی جهت انتقال و هدایت آب، محققین زیاد بدان نپرداخته اند و تحقیقات کمتري در این مقاطع صورت پذیرفته است و در نتیجه اطلاعات آزمایشگاهی و میدانی زیادي نیز در این زمینه وجود ندارد.
الگوهاي جریان ثانویه در کانال هاي باز به دلیل وجود سطح آزاد سیال با کانال ها و مجاري بسته، متفاوت می باشد. وجود جریان هاي ثانویه، شکل و موقعیت آن در شناخت مسائل مختلفی در علم هیدرولیک و مهندسی رودخانه مانند سرعت متوسط جریان، توزیع سرعت متوسط عمقی و تنش برشی حائز اهمیت می باشد. با این حال اندازه گیري مستقیم جریان هاي ثانویه به راحتی امکان پذیر نمی باشد.
این جریان ها که مقدار آن ها در حدود 2 تا 3 درصد سرعت متوسط جریان می باشند، حاصل غیر همگن بودن آشفتگی سیال است . شناخت و بررسی الگوهاي جریان ثانویه در کانال هاي باز مورد توجه محققین متعددي از جمله قرار گرفته است. این پژوهشگران بر روي الگوي سلول هاي جریان هاي ثانویه مخصوصا در کانال هاي ذوزنقه اي تحقیق نمودند و از زبري و توزیع آن بر روي بستر و دیواره ها، وجود سطح آزاد آب، هندسه کانال و ارتفاع آب به عنوان عوامل تاثیر گذار بر جریان هاي ثانویه نامبرده اند.
با بررسی تحقیقات محققین در زمینه هاي جریان ثانویه و اطلاعات آزمایشگاهی جریان هاي ثانویه و توزیع تنش، به ارائه الگوي سلول هاي جریان هاي ثانویه در مقاطع مثلثی و همچنین اثرات تغییرات غیر یکنواخت فاکتور اصطکاك دارسی ویسباخ ، در این مقطع پرداخته خواهد شد. از بررسی روش هاي موجود در تخمین سرعت متوسط عمقی و تنش برشی، تنها روش که به اختصارSKM خوانده می شود قادر به مدل سازي جریان با در نظرگرفتن پارامتر جریان ثانویه می باشد. لیکن دستیابی به جواب هاي مناسب از این روش نیازمند کالیبراسیون دقیق پارامترهاي آن می باشد. در این مقاله به کمک اندازه گیري هاي آزمایشگاهی سرعت سعی می شود که کالیبراسیون با دقت مناسبی صورت گیرد.
اما به علت عدم امکان برداشت سرعت هاي ناشی از جریان هاي ثانویه که نقشی اساسی در توزیع تنش برشی ایفا می کنند، با ارائه الگوهاي جریان هاي ثانویه در مقطع، هم از نظر تعداد و هم از نظر قدرت و بزرگی سعی در تولید تنش هاي برشی با استفاده از SKM می شود و در نهایت با توزیع تنش برشی که از رابطه جهانی توزیع لگاریتمی سرعت در محدوده نزدیک به جدار حاصل می شود، مقایسه می گردد.
که در این معادله Γ معرف پارامتر جریان ثانویه، f فاکتور اصطکاك دارسی- ویسباخ، λ ویسکوزیته بی بعد گردابی است. بر روي اثر ویسکوزیته بی بعد گردابی - - λ بررسی هاي وسیعی انجام دادند و دریافتند که توزیع سرعت متوسط عمقی به ویسکوزیته بی بعد گردابی حساسیت کمی داشته و می توان براي آن مقدار ثابتی درنظرگرفت. مقدار پیشنهادي توسط آن ها براي λ در بازة 0/07 تا 0/5 می باشد. در نهایت مقدار 0/07، به عنوان مقدار استاندارد ضریب بی بعد گردابی براي محاسبات پیشنهاد شده است.
کارهاي آزمایشگاهی
با توجه به این که هدف، تخمین سرعت متوسط عمقی و تنش برشی در کانال هاي مثلثی می باشد، یک سري اطلاعات جهت کنترل مقادیر تخمینی توسط روش SKM، مورد نیاز می باشد. بدین جهت در حدود 40 آزمایش در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه فردوسی مشهد انجام شده است. فلوم آزمایشگاهی که از آن براي ساخت فلوم با مقطع مثلثی استفاده شده است، کانالی مستطیلی می باشد که داراي عرض40 سانتیمتر، ارتفاع50 سانتیمتر و طول 8 متر است. دو دیواره کانال از شیشه و کف آن از ورق استیل گالوانیزه است. آب توسط پمپ از مخزن به مدخل ورودي کانال وارد می گردد.
در مدخل ورودي کانال صفحات مشبکی تعبیه شده است تا جریان با حالت غیر آشفته و بدون تلاطم به کانال وارد گردد. در انتهاي کانال نیز یک سرریز لبه تیز مستطیلی که قابلیت حرکت در راستاي قائم جهت تنظیم ارتفاع آب را داراست، تعبیه گردیده است. دبی به دو صورت حجمی و با استفاده از اوریفیس اندازه گیري شده است. برداشت و اندازه گیري سرعت در فاصله 4/8 متري از ابتداي کانال که جریان توسعه یافته می باشد، صورت گرفت.
در طی آزمایش هاي انجام گرفته در مقاطع مثلثی از دو سرعت سنج - مولینه - استفاده گردید. با استفاده از سرعت سنج، در هر نقطه اطلاعات سرعت در طول زمان 3 دقیقه برداشت می گردد. سرعت متوسط در هر نقطه از متوسط گیري این اطلاعات حاصل می شود. سرعت آب در فاصله 0/6تا 1/0 سانتیمتري از سطح آزاد سیال نیز توسط لوله پیتو که داراي قطر 2 میلیمتر می باشد، اندازه گیري گردیده است. به جهت نزدیکی این نقاط برداشت به سطح آزاد سیال، این اطلاعات به عنوان سرعت سطحی آب درنظرگرفته شده است.
مقاطع مورد آزمایش از لحاظ هندسی متقارن می باشند. شکل 2 زبري مقاطع فلوم در آزمایش ها را به صورت شماتیک بیان می کند. هر یک از پارامترهاي نشان داده شده در شکل 2، s شیب جداره، H c ارتفاع آب در وسط مقطع و جنس جداره هر یک در سه حالت در آزمایش ها در نظر گرفته شده اند. شیب دیواره کانال s=0/42 ، 0/5 و 0/7 و ارتفاع آب در وسط مقطع H c =15 cm ، 25 و 35 سانتیمتر می باشند. از شیشه براي بستر صاف استفاده شد و با چسباندن دانه هاي شن و ماسه بر روي شیشه دو حالت زبري، به قطر متوسط 3/5 و 11 میلیمتر ایجاد گردید.
مقاطع آزمایشگاهی فلوم مثلثی - الف - صاف، - ب - زبر
الگوي پیشنهادي جریان هاي ثانویه در مقاطع مثلثی وضعیت سلول هاي جریان ثانویه توسط محققین بسیاري بررسی شده است از جمله آن ها می باشند،که نتایج تحقیقات آن ها در مجاري باز با سطح مقطع ذوزنقه اي به ارائه وضعیت سلول هاي ثانویه در مقطع عرضی از مجرا، منجر شده است.
مجراهاي مستطیلی شکل نیز در دو حالت بسته و باز توسط محققین مورد بررسی قرارگرفته است. در مقطع مثلثی بسته تحقیقاتی در خصوص وضعیت سلول هاي جریان هاي ثانویه صورت پذیرفته، اما در خصوص الگوي سلول هاي جریان ثانویه در مقاطع مثلثی رو باز هیچگونه اظهار نظر و پیشنهادي ارائه نشده است.با ارائه الگوي سلول هاي جریان ثانویه در مجاري بسته مثلثی شکل تایید نمودند که وجود سطح آزاد سیال مهمترین عامل بر تغییر توزیع سرعت و الگوي جریان هاي ثانویه در مقطع است.
