بخشی از مقاله
خلاصه
تحقیق حاضر با هدف اندازهگیري مستقیم تنش برشی در کانالهاي مستطیلی و ذوزنقه اي با بستر صاف هیدرولیکی ارائه گردیده است. در این راستا بمنظور اندازهگیري مستقیم تنش برشی کل در محیط مرطوب کانالهاي روباز شیوه اي نوین ارائه گردید. در این راستا با ساخت فلومی با ادوات ویژه، نیروي کل برشی وارده بر محیط مرطوب با استفاده از سلول هاي حساس به بار دینامیک اندازهگیري گردید. سیستم اندازهگیري مذکور فلوم لبه چاقویی 1 - KEF - نامیده شد. جهت تعیین تغییرات تنش برشی موضعی از لوله پرستون2 با قطر خارجی 4 میلیمتر مجهز به سلول هاي حساس به فشار دینامیک3 استفاده گردیده است. جهت تبدیل اختلاف فشار استاتیک و دینامیک قرائت شده در لوله پرستون به تنش برشی از منحنی کالیبراسیون پتل4 استفاده شده است. مقایسه نتایج حاصل از اندازهگیري تنش برشی به روش مستقیم و غیر مستقیم نشان می دهد که ماکزیمم خطا در روش غیر مستقیم نسبت به معادله تئوریک نیروي برشی حداکثر 18.19 درصد در Z=2 و حداقل خطا 0.91 درصد در Z=1 می باشد در حالیکه در روش مستقیم این میزان خطا حداکثر 7.86 درصد در Z=2 و حداقل خطا 0.22 در Z=1 می باشد. نتایج حاکی از برتري روش اندازه گیري مستقیم نسبت به روش غیر مستقیم می باشد.
کلمات کلیدي: تنش برشی، نیروي برشی، لوله پرستون، روش مستقیم
.1 مقدمه
تعیین میزان تنش برشی و همچنین نحوه اثر آن بر روي بستر و جداره هاي مجاري روباز یکی از مهمترین مسائل هیدرولیک جریان می باشد. ساختار جریان در مجاري روباز مستقیما تحت تاثیر نحوه توزیع تنش برشی در محیط مرطوب قرار دارد. تعادل جریان هاي یکنواخت به واسطه وجود تنش برشی بر روي محیط مرطوب کانال و در راستاي مسیر حرکت جریان میباشد. از طرفی غیر یکنواختی توزیع این تنش بر روي بستر و جداره مجاري روباز توسط محققین دیگر به اثبات رسیده است - خداشناس.[5] - 2008 نحوه توزیع تنش به عواملی نظیر شکل سطح مقطع، ساختار جریان هاي ثانویه و عدم یکنواختی در زبري کانال بستگی دارد - جولین.[13] - 2005 توزیع تنش برشی در محاسبه افت انرژي، حمل رسوب و تخمین میزان فرسایش حائز اهمیت است. همچنین بمنظور تخمین میزان تغییرات در وضعیت مورفولوژي رودخانه و همچنین در طرح هاي حفاظت از دیواره هاي ساحلی و سیل بندها، آگاهی از نحوه توزیع تنش برشی بر روي محیط مرطوب رودخانه از اهمیت ویژهاي برخوردار است. لذا تحقیق حاضر بمنظور بررسی آزمایشگاهی و تعیین میزان سهم هر یک از تنشهاي برشی کف و جداره در مجاري مستطیلی و ذوزنقه اي با بستر صاف هیدرولیکی با روش مستقیم گردیده است.
تاریخچه تحقیقات انجام شده در رابطه با مقاومت هیدرولیکی در برابر جریان، به قرن چهارم قبل از میلاد و کشور یونان باز میگردد. دانشمندانی نظیر شزي، گانگیلت- کاتر، و مانینگ [9] تحقیقات گستردهاي را در رابطه با مقاومت هیدرولیکی در برابر جریان انجام دادند. بررسی نتایج نشان می دهد که در اکثر تحقیقات گذشته، پارامترهاي موثر بر مقاومت هیدرولیکی جریان بر پایه استفاده از روش غیر مستقیم اندازه گیري شده است. لیگلی1 با استفاده از روش تطبیقی2 - نگاشت - مطالعه توزیع تنش برشی مرزي در جریان کانالهاي روباز را در مقاطع ذوزنقهاي و مستطیلی مورد مطالعه قرار داد .[8]بر اساس مطالعات ایشان، در غیاب جریان هاي ثانویه، نقش تنش برشی مرزي در بستر باید با مولفه وزن در راستاي جریان متعادل شود. از سال 1960 به بعد مطالعات تجربی متعددي توسط کروف [1] - 1965 - ، گاش و روي [2] - 1970 - ، کارتا و لوفیسر [3] - 1970 - ،گاش - 1973 - ، مایرز [4] - 1978 - ، نایت و مک دونالد - 1979 - ، نایت [6] - 1981 - ، نات سوپالوس و حاجیه پنس - [10] - 1982 ، نایت و همکاران [11] - 1984 - ، هو [12] - 1985 - ، گو و جولین [13] - 2005 - ، سکین و همکاران [14] - 2006 - ، لشکرآرا و همکاران [7] - 2010 - و برخی محققین دیگر گزارش شده است.
.2 مواد و روش ها
از آنجاییکه تعیین نحوه توزیع تنش برشی در طبیعت کار مشکلی است، به همین منظور از کانالهاي آزمایشگاهی جهت غلبه بر این مشکل استفاده می شود. لذا تحقیق حاضر بمنظور بررسی آزمایشگاهی و تعیین میزان سهم هر یک از تنشهاي برشی کف و جداره در یک مجراي مستطیلی با بستر صاف بعرض 80 سانتیمتر و طول 8.6 متر که در شیب 0/002 تثبیت گردیده به اجرا در آمد. بمنظور اندازه گیري مستقیم تنش برشی وارده بر سطوح مرطوب کانال، طولی معادل یک متر از مابقی فلوم جدا گردید و با نصب یکسري ابزارآلات به شیوه خاصی در آستانه حرکت قرار داده شد. در این حالت با نصب بخش جدا شده فلوم بر روي چهار لبه تیز چاقویی شکل ، فلوم در آستانه سقوط قرار گرفت که گویی هر لحظه با اعمال کوچک ترین نیرویی تعادل خود را از دست داده و سقوط می نماید، و این در حالی است که نیرو سنج متصل به این بخش از فلوم مانع سقوط آن شده و حکم برقرار کننده تعادل را بازي مینماید.
در حقیقت همین تعادل برقرار شده توسط نیروسنج دینامیکی امکان ثبت مقدار ممنتم وارده از طرف سیال را بر جدارههاي فلوم فراهم می آورد.فرکانس مورد استفاده بهنگام داده برداري 50 هرتز و مدت زمان هر یک از قرائت ها 10 ثانیه تعیین گردید. سیگنال هاي ارسالی از سلول هاي حساس به بار دینامیک توسط یکدستگاه مبدل آنالوگ به دیجیتال16 3 کاناله به کامپیوتر انتقال و سپس با استفاده از نرم افزار Scope متوسط زمانی هر یک از سري سیگنالهاي ارسالی بعنوان متوسط بار دینامیکی وارده بر سیستم اندازهگیري منظور گردید. از تقسیم مقدار نیروي ثبت شده بر محیط مرطوب، متوسط تنش برشی کل حاصل می گردد.
به منظور تعیین نحوه توزیع و میزان تنش برشی در محیط مرطوب از لوله پرستون [15] با قطر خارجی 4 میلیمتر استفاده گردید. این وسیله در واقع یک لوله پیتوت می باشد که به سطح صاف بستر چسبانده شده است. پرستون - - 1954 یک نسبت بدون بعد بین تفاضل فشار لوله پرستون - تفاوت بین فشارهاي استاتیک و دینامیک - و تنش برشی مرزي را با استفاده از آنالیز ابعادي بصورت رابطه - 1 - استخراج نمود :
که در آن :
: o تنش برشی مرزي مکانی - موضعی - بر حسب پاسکال ، : d قطر خارجی لوله پیتوت بر حسب متر ، : جرم مخصوص آب، : لزوجت سینماتیک و : P فشار تفاضلی لوله پرستون می باشد. پتل - 1965 - با ایجاد تغییر در قطر لوله پرستون آزمایشات متعددي را انجام داد که سرآمد تحقیقات وي منجر به معرفی منحنی کالیبراسیون پتل گردید. وي با معرفی دو پارامتر - 4 2 x* log - P d 2 و - 42 y* log - o d 2 نسبت به اصلاح معادله - 1 - اقدام نمود - شکل - 2
در این تحقیق جهت افزایش دقت داده برداري تغییرات فشار هاي دینامیک و استاتیک P از سلولهاي حساس به تغییرات فشار دینامیک استفاده گردید. این سلول ها قادرند تا تغییرات زمانی فشار وارده بر لوله هاي استاتیک و دینامیک پرستون را اندازهگیري نمایند. فرکانس مورد استفاده بهنگام ثبت سیگنالهاي ارسالی از فشار سنج تفاضلی 100 هرتز و مدت زمان هر یک از قرائت ها 20 ثانیه تعیین گردید. سیگنال هاي ارسالی از سلولهاي حساس به فشار دینامیکی مشابه حالت داده برداري بار دینامیکی توسط دستگاه مبدل آنالوگ به دیجیتال به کامپیوتر انتقال و سپس متوسط زمانی هر یک از سري سیگنالهاي ارسالی بعنوان متوسط فشار دینامیکی محاسبه گردید. در هر نسبت B/H مقدار تنش برشی موضعی بستر b و تنش برشی موضعی جداره ها w در اطراف محیط مرطوب با استفاده از لوله پرستون اندازه گیري و با استفاده از منحنی کالیبراسیون پتل اصلاحات لازم اعمال گردید. فاصله نقاط اندازهگیري بر روي محیط مرطوب 2.5 تا 5 سانتیمتر می باشد. سپس با استفاده از روش ترسیمی پروفیل مربوط به توزیع تنش برشی موضعی در اطراف محیط مرطوب حاصل گردید. سطح زیر منحنی نمایشگر متوسط نیروي برشی کل به روش غیر مستقیم می باشد. کلیه اندازهگیري ها در فاصله 4.7 متري از ابتداي کانال بانجام رسید. دبی جریان عبوري با استفاده از یک سرریز مستطیلی اندازهگیري گردید.
.3 نتایج آزمایشگاهی
هدف از تحقیق حاضر اندازه گیري توزیع تنش برشی در اطراف محیط مرطوب به روش مستقیم و معرفی معادلات توزیع تنش برشی بستر و جداره در اطراف محیط مرطوب می باشد. براي این منظور تعیین شیب دقیق سطح آب از ضروریات تحقیق می باشد که به منظور دستیابی به آن از عمق سنج دیجیتالی استفاده گردید. در تحقیقات حاضر،عرض فلوم ثابت و در کانال مستطیلی معادل 80 سانتیمتر و در کانال ذوزنقه اي معادل 20 سانتی متر می باشد و با توجه به محدودیت هاي آزمایشگاهی عمق جریان در این بخش از تحقیقات در محدوده 2/4 تا 19/9 سانتیمتر تغییر داده شد. لذا در این مرحله از آزمایشات با تغییر در مقدار z بین 0، 1، 1.5 و 2 امکان اندازه گیري توزیع تنش برشی در اطراف محیط مرطوب در نسبتهاي مختلف B/H
