بخشی از مقاله
چکیده
پرش هیدرولیکی یک نوع جریان متغیر سریع است که در محیط آزاد شکل میگیرد و دارای کابردها و ویژگی های زیادی می باشد. از طرفی کانال مرکب با داشتن شرایط هیدرولیکی و هندسی متفاوت در بخش های کانال اصلی و سیلابدشت، از انواع دیگر مقاطع شباهت بیشتری به کانال های موجود در طبیعت دارد. بررسی پدیده پرش هیدرولیکی در کانال های مرکب از سابقه تحقیقاتی چندانی برخوردار نیست. این تحقیق تلاشی است برای بررسی این مساله.
در این پژوهش توسط روش عددی دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD پدیده پرش هیدرولیکی در کانال مرکب بصورت سه بعدی شبیه سازی شده است. در این تحلیل به دلیل این که نرم افزار های شبیه سازی قادر به مدل سازی سطح آزاد آب نیستند، با توجه به نتایج تحقیقات قبلی سطح آزاد آب معادل چگالی 450 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شد و بعد مدل سازی پرش هیدرولیکی در کانال هایی با هندسه های متفاوت صورت گرفت. الگوی پرش در کانال مرکب با سایر کانال ها تفاوت دارد. این امر در نتایج تحقیقات آزمایشگاهی به اثبات رسیده است. در این تحقیق تلاش گردید علاوه بر شبیه سازی پرش هیدرولیکی در کانال مرکب با ابزارهای مدلسازی دقیق جریان، صحت شکل گیری این الگوی خاص مورد بررسی قرار گیرد.
مقدمه
پرش هیدرولیکی پدیده شگفت انگیزی است که لئوناردو داوینچی اولین بار تعریفی برای آن ارائه داد. در ابتدا تئوری پرش روی کانالهای افقی که در آن اثر وزن آب ناچیز است مورد مطالعه قرار گرفت و سپس نتایج آن در بسیاری از مسائل مهندسی تعمیم یافت. پرش هیدرولیکی یک نوع جریان متغیر سریع است که دارای ویژگی هایی است که از آنجمله میتوان به تغییر رژیم جریان از فوق بحرانی در بالادست به زیر بحرانی در پایین دست، اختلاط آب و هوا باهم، حرکات متلاطم و ناپایدار و اتلاف شدید انرژی اشاره کرد. و علت بروز این پدیده میتوان به اثرات شرایط مرزی بالادست یا پایین دست یا هر دو اشاره کرد
فشار در پاشنه پرش و انتهای آن از توزیع هیدروستاتیک پیروی میکند اما در داخل بدنه پرش انحناهای شدید خطوط جریان باعث انحراف فشار از توزیع هیدروستاتیک میشود و عموما از فشار هیدروستاتیک کمتر است و این اختلاف فشار با افزایش عدد فرود ورودی افزایش مییابد. پروفیل سرعت در پرش دو بخش متمایز دارد، بخش اول که از کف کانال تا بخش عمدهای از بدنه پرش را شامل می-شود سرعت در آن مثبت و رو به جلو است و بخش دوم که لایه سطحی پرش است سرعت در آن منفی میباشد.
پرش هیدرولیکی در کفغیر افقی نظیر شیبدار با شیب معکوس و مستقیم و در مقاطعی مانند ذوزنقه، نمایی، دایره و ... رخ میدهد که در هرکدام شرایط و ویژگی های خاصی از خود بروز میدهد
مهمترین جنبه از جریان در رودخانههای طبیعی شرایط خاص هیدرولیکی است که پس از وقوع جریان سیلاب به خارج از مقطع معمول رودخانه در دشتهای آبرفتی ایجاد میشود که در مراجع جریان در کانال مرکب نامیده میشود
کانال مرکب کانالی است که قسمتهای مختلف آن دارای اعماق و ضرایب زبری متفاوت میباشد، این تفاوتها باعث پیچیدگی و تفاوت جریان هیدرولیکی مقاطع مرکب نسبت به مقاطع ساده میشود. کانال مرکب مقطع هیدرولیکی است که از دو بخش کانال اصلی و سیلابدشت تشکیل یافته است و عمدتا شکل نزدیک به مستطیل یا ذوزنقه دارد.
بخش کانال اصلی بدون پوشش گیاهی و عمدتا شن و ماسه و تراز کف آن پایین تر است ولی سیلابدشت دارای زبری بیشتر نسبت به کانال اصلی میباشد، شرایط هندسی خاص مقاطع مرکب موجب بروز شرایط هیدرولیکی ویژهای میشود که مستلزم توجهات خاص در این مقاطع است، اختلاف قابل توجه زبری در کانال اصلی و سیلابدشت سبب بروز اختلاف سرعت قابل توجه بین زیر مقاطع این کانال شده و این اختلاف سرعت به نوبه خود سبب شکل گیری یک ناحیه اندرکنشی در مرز بین زیر مقاطع میشود.
از دیدگاه انرژی تنش داخلی جریان در این ناحیه سبب افت انرژی قابل توجه خواهد شد و از دیدگاه دیگر گرادیان سرعت قابل توجه بین زیرمقاطع موجب بروز تنش برشی درونی مابین جریان بین زیرمقاطع میشود، که علاوه بر تنش برشی بستر و جدارههای کانال است. عموما به آن تنش - برشی ظاهری - 1 گفته می-شود.در کانالهای معمولی افت انرژی طولی ناشی از اندرکنش جریان با بستر و جدارههای جامد کانال است این در حالی است که در کانال مرکب علاوه بر آن از اثرات متناظر درونی جریان نیز نمیتوان صرفه نظر نمود.
تمایز اصلی مقاطع مرکب ومعمولی ناشی از همین پدیده بوده و بکارگیری روابط متعارف هیدرولیکی در این کانالها سبب بروز خطاهای قابل توجه میشود. از دیگر تفاوتها افزایش قابل توجه مقادیر ضرایب تصحیح سرعت در معادلات انرژی و اندازه حرکت نسبت به کانالهای منظم و ایجاد عمقهای هیدرولیکی چندگانه در این کانالها از دیدگاه یکبعدی میباشد که در نتیجه از دیدگاه متغیر تدریجی یکبعدی،نیمرخهای محتمل جریان از سهنیمرخ به پنجنیمرخ در کانالهای مرکب افزایش مییابد اما مهمترین جنبه اختلاف کانالهای مرکب با منظم معمولی در زمینههای کاربردی و طرحهای مهندسی رودخانه، افت دبی و کاهش ظرفیت انتقال این مقاطع نسبت به مقاطع منظم است.
به عبارت دیگر برآورد - ضریب انتقال - 2 مقاطع مرکب توسط روابط متعارف کانالهای منظم، منجر به برآورد نادرستی از این عامل نسبت به مقدار واقعی آن میشود. اطلاعات تجربی در خصوص جریان یکنواخت در کانالهای مرکب عمدتا منحصر به تحقیقات آزمایشگاهی میشود وحجم اطلاعات میدانی بسیار محدود است. اما دادههای آزمایشگاهی خصوصا در مورد کانال-های مرکب مستقیم با گستردگی مناسبی توسط افراد و مراکز مختلفی برداشت شده است که مهمترین آنها آزمایشگاه Flood Facility - FCF - channelوابسته به مرکزH.R.Wallingfordدر انگلستان میباشد.
ساختارهای کیفی جریان در کانال مرکب شامل اعماق سیلابدشتی کم که جریان به محض ورود و در محدوده اعماق کم جریان بر روی بستر سیلابی شکل گرفته که سرعت کم جریان ناشی ازنسبت بسیار زیاد پیرامون مرطوب به عمق جریان بوده و نقش سیلابدشتها در انتقال جریان ناچیز است اندرکنش جریان پرسرعت کانال اصلی با این جریان بسیار کم سرعت به شکل ایجاد ورتکس های بزرگ مقیاس و پریودیک در پلان ظاهر شده که باعث بروز یک ساختار کاملا غیر یکبعدی در مقطع و غیرپیوسته در پلان می شود.و اعماق سیلابدشتی متوسط که با افزایش عمق جریان بر روی سیلابدشتها، فاصله بین ورتکسهای فوقالذکر در پلان کم و از ابعاد بزرگتر آنها نیز به تدریج کاسته میشود، به نحوی که در عمل یک ناحیه اندرکنشی پیوسته در مرز بین زیرمقاطع بطور یکنواخت ایجاد میشود
این لایه برشی موجب شکلگیری ساختارهای توربولنتی پیوسته در طول کانال میشود که به نوبه خود تبادل پیوسته جرم و اندازه حرکت را مابین زیرمقاطع ایجاد میکنند. این تبادل جرم به نحوی است که نسبت به برآورد روشهای متعارف محاسبه ظرفیت انتقال، مقادیر ظرفیت انتقال کانال اصلی کاهش و سیلابدشتها افزایش مییابند. اما در مجموع این لایه برشی و اثرات افزایشی آن در افت انرژی کلی مقطع، موجب کاهش ظرفیت انتقال کل مقطع مرکب نسبت به برآورد روشهای متعارف در کانالهای منظم میشود.
اعماق سیلابدشتی زیاد که با افزایش عمق جریان بر روی بستر سیلابی و در نتیجه کاهش نسبت عرض سیلابدشت به عمق جریان بر روی آن، اثرات اصطکاکی بستر کاهش و سرعت جریان افزایش مییابد. در نتیجه از اختلاف سرعت مابین زیرمقاطع کاسته میشود و بتدریج، اندرکنش بین زیرمقاطع تضعیف میگردد. لذا در اعماق سیلابی زیاد، عملکرد مقطع مرکب به مقاطع منظم نزدیک میشود و فرض یکبعدی عمل نمودن مقطع در تحلیل جریان، اعتبار مییابد
روش های برآورد ظرفیت انتقال در کانالهای مرکب که با فرض جریان یکبعدی گسترش یافته اند را میتوان به روش های سنتی و اصلاحی تقسیم کرد. روشهای سنتی عبارت از - روش مقطع واحد - و - روش تقسیم مقطع - می باشند
