بخشی از مقاله
چکیده
پرش هیدرولیکی در سازهها سبب افت شدید انرژی میشود. پرش هیدرولیکی در شیبهای مثبت در صورتی که مقدار شیب کف ناچیز باشد براحتی قابل محاسبه است اما برای شیبهای معکوس رابطه شاخصی ارائه نشده است. ایجاد پرش هیدرولیکی پایدار بر روی شیب معکوس کار دشواری میباشد که وجود پله تاثیر مثبتی بر ایجاد پرش پایدار دارد. در این تحقیق سعی شده است رابطه سادهتری برای محاسبه عمق ثانویه پرش هیدرولیکی در کانالهای با شیب معکوس با پلههای مثبت و منفی ارائه شود. نتایج نشان داد که عمق ثانویه پرش هیدرولیکی تابعی از عمق اولیه، عدد فرود بالادست و مقدار مطلق شیب می-باشد.
کلمات کلیدی: پرش هیدرولیکی، شیب معکوس، عدد فرود بالادست، پله مثبت و منفی
مقدمه
پرش یا جهش هیدرولیکی، از نوع جریانهای متغییر سریع است که در بسیاری از کارهای عملی با آن روبرو بوده و عبارت است از تغییر حالت جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی. از زمانهای گذشته، ایجاد جهش آبی در مجاری شیبدار، فکر محققین را به خود مشغول داشته ولی به علت عدم وجود اطلاعات مورد نیاز، اطمینان کافی به طرح این قبیل مسائل نبوده است. تغییر طولنسبتاً محسوس جهش آبی در اثر تأثیر مؤلفه وزن در مجاری شیبدار باعث پیچیدگی بیشتر این گونه پرشهاگشته است. اگرچه میتوان روابطی برای تأثیرارائه نمود، اما نهاتاًی لزوم انجام آزمایشاتی در کنار تئوری را مشخصمیسازد.بیشتر کارهای تجربی و تحلیلی که تاکنون بر روی پرش هیدرولیکی صورت گرفته، در کانالها و کفهای افقی و یا حداکثر در کفهای دارای شیب مثبت ملایم یا تند بوده و در مورد کفهای با شیب معکوس اطلاعات بسیار نادری در اختیار است.
این پرشها میتوانند با توجه به شرایط مختلف، در روی مسیرهای با شیب مثبت و یا با شیب منفی صورت پذیرند که بخصوص در مورد اخیر به نظر میرسد که تأثیر مؤلفه وزن میتواند کاهش قابل ملاحظهای در طول پرش و نهاتاًی در طول حوضچه آرامش که به عنوان یکی از سازههای کنترلکننده پرش مورد استفاده قرار میگیرد، به وجود آورد.مهمترین مسئلهای که تقرباًی تمامی کسانی که تجربیاتی را بر روی اینگونه شیبها داشتهاند عنوان مینمایند این است که مؤلفه نیروی وزن همواره در خلاف جهت جریان بوده و موجب ناپایداری پرش روی شیب میشود. رز - 1938 - بیان داشت که پرش هیدرولیکی روی یک شیب معکوس پایدار نخواهد ماند. استیونس - - 1994 با تحلیل نظری نشان داد که پرش آبی بر روی تمامی شیبها بدون هیچگونه محدودیتی، امکانپذیر است.
عبدالخدر و راجاگوپال - 1972 - در مورد میزان صحت تحلیل استیونس و محدودیتهای احتمالی مطالعاتی را انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که پرش هیدرولیکی روی شیبهای تندتر از 0/025 تثبیت نمیشود. همچنین برای یک عمق معین نسبت عمق ثانویه به عمق اولیه، با افزایش شیب معکوس کاهش می-یابد. مک کورکودال و محامد - 1994 - اظهار داشتند که تثبیت این نوع پرش در اعداد فرود کمتر از 9 مشکل است. ابریشمی و صانعی - 1369 - با استفاده از نتایج تجربی و تحلیلهای مربوطه نشان دادند که امکان ایجاد پرش هیدرولیکی پایدار بر روی شیبهای منفی وجود دارد. اسماعیلی - 1374 - به نتایج قابل ملاحظهای رسید از جمله اینکه وجود پله تأثیر بسزایی در کاهش d2/d1 و کم کردن ارتفاع حوضچه دارد.
مواد و روش ها
تحلیل پرش بر روی شیبهای معکوس
در تحلیل پرش بر روی دامنههای با شیب معکوس، از آنجا که نمیتوان مقدار d و y - عمقهای جریان عمود بر کف کانال و راستای محور قائم - را مساوی در نظر گرفت، تأثیر مولفه نیروی وزن آب در راستای کف کانال نقش مهمی را ایفا نموده و نمیتوان آن را نادیده گرفت - شکل . - 1 به طور کلی در کانالهای شیبدار اثر مؤلفه وزن موجب انتقال نسبی جهش و تغییر نسبی در طول پرش میشود و لذا دخالت دادن این اثر در بدست آوردن معادلات مربوطه ضروری است. اگرچه اصل مقدار حرکت نمیتواند مستقیماً در اینگونه پرشها مورد استفاده قرار گیرد، اما میتوان آن را برای بدست آوردن معادله مربوطه و تعیین نسبت اعماق اولیه و ثانویه در پرش به کار برد و از آن برای مقایسه با نتایج آزمایشگاهی استفاده نمود.
کنترل پرش
در بسیاری از مواقع عمق پایاب در دبیهای مختلف برابر با عمق مزدوج لازم برای تشکیل پرش نمیباشد. تحت چنین شرایطی پرش میتواند خیلی نزدیک به سازه و یا پس از خزیدن به سمت پائیندست در آنجا تشکیل شود ولی مطلوب آن است که پرش در نزدیک سازه اتفاق افتد. میتوان با فراهم کردن تمهیداتی - ساختن اجزاء وابسته - ، پرش را در محل معینی وادار به تشکیل نموده و آنرا تثبیت کرد.برآمدگی ناگهانی کف کانال - حالت وجود پله مثبت - ، فرورفتگی ناگهانی کف کانال - حالت وجود پله منفی - ، ساخت بلوک-های آرامکننده و همچنین حوضچههای آرامش از جمله تمهیداتی است که برای کنترل پرش به کار میروند.
کاربرد معادله اندازه حرکت در شیبهای منفی با پله مثبت
در شکل2 پرش هیدرولیکی روی شیب معکوس با پله مثبت نشان داده شده است. از پله مثبت وقتی استفاده میشود که عمق پایاب کوچکتر از عمق مزدوج پرش باشد. به لحاظ پایداری بیشتر در حوضچهها، کانالها و نیز افزایش افت انرژی جریان در طول کوتاهتر یکی از روشهای مناسب نصب پلههای مثبت یا بالا آمدگی ناگهانی در کف کانال است.رابطه پرش هیدرولیکی در کانالهای با شیب معکوس با پله مثبت بصورت زیر می باشد :که در آن S ارتفاع پله، K ضریب تصحیح مستقیم فرض نمودن پروفیل پرش، :d1 عمق آب قبل از پرش و :d2 عمق آب بعد از پرش
کاربرد معادله اندازه حرکت در شیبهای منفی با پله منفی
در شکل3 پرش هیدرولیکی روی شیب معکوس با پله منفی نشان داده شده است. از پله منفی وقتی استفاده میشود که عمق پایاب بزرگتر از عمق مزدوج لازم برای تشکیل پرش باشد. در کانالهای شیبدار تحت شرایط مناسبی از انتخاب سطح آب پائین دست و میزان پایین افتادگی میتوان یک سیستم انرژی کاه بوجود آورد.به طور مشابه رابطه پرش هیدرولیکی در کانالهای با شیب معکوس با پله منفی بصورت زیر میباشد:هدف از این تحقیق، بدست آوردن رابطه بین پارامتر G با عدد فرود در مقطع بالادست و شیب کف کانال میباشد. برای این منظور از دادههای اسماعیلی - 1374 - استفاده شد. درتحقیق ایشان آزمایشات مختلفی بر روی 4 شیب معکوس 0/005، 0/01، 0/013 و 0/02 در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه فردوسی مشهد انجام پذیرفت. کانال مورد استفاده 12 متر طول، 0/3 متر عرض و 0/4 متر طول داشت. پارامتر G1 از رابطه 3 برای پله مثبت و از رابطه 6 برای پله منفی حاصل می شود.
