بخشی از مقاله
این مقاله دارای فرمول های زیادی میباشد
چکیده
سرعت زیاد جریان در مسیر رودخانه ها و کانالها باعث تخریب بستر و سوراخ شدن پی میگردد. از این جهت سازههاي هیدرولیکیمعمولاً نیازمند به طراحی حوضچه آرامش براي استهلاك انرژي می باشند. طول پرش هیدرولیکی اغلب به عنوان مهمترین پارامتر طراحی در نظر گرفته میشود. از نقطه نظر مهندسی طول حوضچه آرامش باید موثر و اقتصادي باشد. در این مطالعه طراحی حوضچه هاي آرامش بعد از دریچه ها و سرریزها به صورت مستقل مورد توجه قرار گرفته است. اطلاعات آزمایشگاهی مطالعه حاضر با استفاده از یک کانال با کف افقی و مقطع مستطیلی بدست آمده است. معادله طراحی عمومی براي طول و عمق نسبی پرش بسط داده شده و با استفاده از MLR یک معادله طراحی خاص براي طول بهینه حوضچه آرامش مستطیلی زبر با بلوكهاي مکعبی پیشنهاد گردیده است. درطراحی بهینه حوضچه آرامش بعد از سرریز، طراحی بهینه حوضچه آرامش نوع III مطرح گردید روش پیشنهاد شدهکاملاً توانایی طراحی بهینه حوضچه آرامش نوع III را در یک روش کارآمد داراست.
کلمات کلیدي : حوضچه آرامش، طراحی بهینه، پرش هیدرولیکی، مستهلک کننده انرژي
مقدمه
سرعت زیاد جریان در مسیر رودخانه ها و کانالها باعث تخریب بستر و سوراخ شدن پی میگردد. از این جهت سازههاي هیدرولیکیمعمولاً نیازمند به طراحی حوضچه آرامش براي استهلاك انرژي می باشند. در حوضچه هاي آرامش انژري جنبشی به اغتشاش و در نهایت به گرما تبدیل میشود. جریان فوق بحرانی ورودي به حوضچه به وسیله پرش هیدرولیکی، که منجر به استهلاك انرژي زیاد میشود، به جریان زیر بحرانی تبدیل میگردد.
براي اطمینان از عملکرد صحیح حوضچه آرامش، طراحی حوضچه باید به گونهاي صورت پذیرد که تراز عمق پایاب در پایین دست کانال بسیار کمتر از تراز عمق مزدوج پرش هیدرولیکی نباشد. عدم رعایت این امر باعث کشیده شدن پرش گردیده و در نتیجه کف بستر رودخانه تخریب خواهد شد. در صورتی که عمق مزدوج بسیار کم باشد، پرش مستغرق شده و عملکرد آن به عنوان مستهلک کننده انرژي کاهش مییابد. طول پرش هیدرولیکی اغلب به عنوان مهمترین پارامتر طراحی در نظر گرفته میشود.
از نقطه نظر مهندسی طول حوضچه آرامش باید موثر و اقتصادي باشد.[ 3 ] [ 1 ]
در طراحی حوضچه هاي آرامش چندین عامل موثر است از جمله:
1 ـ جنس پی
2 ـ عدد فرود جریان ورودي
3 ـ زاویه برخورد جریان با کف حوضچه آرامش
4 ـ تراز سطح پایاب
5 ـ ملاحظات اقتصادي در این مطالعه طراحی حوضچه هاي آرامش بعد از دریچه ها و سرریزها به صورت مستقل مورد توجه قرار گرفته است.
1 ـ طراحی بهینه حوضچه آرامش بعد از دریچه
براي اقتصادي بودن حوضچه آرامش، طول آن باید کمترین مقدار ممکن را داشته باشد. USBR انواع مختلفی از حوضچه هاي آرامش را مطرح کرده است .(1958) مروري فشرده بر مطالعات پرش هیدرولیکی و مستهلک کننده هاي انرژي در کتاب هایی چون ( 1995 Vischer, Hager ـ ( 1992 Hager یافت می شود. در این مراجع کاربرد ضمائم پاییندست سازههاي هیدرولیکی به منظور کاهش طول حوضچه آرامش بیان شده و شکل هاي متفاوت مورد استفاده پیشنهاد گردیده است. تاثیر بلوك-
هاي مکعبی شکل بر طول پرش هیدرولیکی و در نتیجه بر طول حوضچه آرامش توسط محققانی چون (Rajaratnam 1968, Abdelsalam et al. 1985, 1986, 1987, Hammad et al.1988, Mohamed Ali 1991) (Negm et al.1993, 1999, Alhamid 1994) و همچنین تاثیر تمرکز بلوكها بر مشخصات پرش هیدرولیکی توسط (Abdellateef 1984, Abdelsalam et al. 1986)
بررسی گردیده است. بر اساس این تحقیقات بیشترین تمرکز در کاهش طول پرش هیدرولیکی %10 میباشد. تاثیر طول زبر بر مشخصات پرش هیدرولیکی با استفاده از تمرکز %10 بررسی شده است .(Abdelsalam et al. 1985, Mahamed Ali 1985,1991) ایشان براي بهینه بودن از دو منظر ضوابط اقتصادي و هیدرولیکی نسبت (LR طول زبر، hb ارتفاع بلوكها ) را پیشنهاد داده اند. تاثیر محل بلوكها بر طول پرش هیدرولیکی به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است.
.(Aboulatta 1986, Abdelsalam eb al 1987)
آنها استفاده از نسبت هاي فاصله شروع بلوكها از شروع پرش، y1 عمیق اولیه پرش ) را در طراحی حوضچه آرامش پیشنهاد کردهاند. علاوه بر این، یک مطالعه آزمایشگاهی (Wafaie 1987 and Hammad et al. 1988 ) براي تاثیر ارتفاع بلوكها بر روي مشخصات پرش هیدرولیکی انجام شده است. این مطالعات نشان داد که کاربرد نسبت در طراحی بلوك ها منجر به بهینه شدن طرح می گردد. باید گفته شود که , Aboulatta, Mohamed Ali و Wafaie در انجام تحقیق آزمایشگاهی خود تمرکز %10 را (که توسط Abdellateef بدست آمده است ) استفاده کردند.[ 2 ]
در مطالعه حاضر، اطلاعات از منابع مختلف (Abdellateef 1984, Mohamed Ali 1985, Aboulatta 1986, wafaie 1987, Abdelsalam et al. 1985, 1986, 1987, Hammad et al 1988) جمع آوري، ترکیب و تحلیل گردیده است. مدلهاي رگرسیونی براي تعیین طول پرش و نسبت عمق ثانویه بسط داده شدهاند.همچنین پارامتر مرکب زبري تعریف شده است که به منظور تشکیل معادله طراحی ساده جهت محاسبه طول بهینه حوضچه آرامش به کار گرفته شده است.
اطلاعات آزمایشگاهی
اطلاعات آزمایشگاهی مطالعه حاضر با استفاده از یک کانال با کف افقی و مقطع مستطیلی بدست آمده است. کانال داراي سیستم گردش دوباره بوده و عرض آن 0/53 متر، عمق 0/7 متر و طول کل 16/7 متر داراي 13/92 متر دیوار شیشهاي می- باشد. کف زبر از مکعب هاي برنجی با مقطع 1/ 6cm 1/ 6cmو ارتفاع متغیر 2 cm) hb ،2/6 ،1/2 ،(0/8 و دامنه گستردهي تراکم بلوك از 0 تا 100 درصد تشکیل شده است.
تراکم I برابر است با نسبت سطح پوشیده شده توسط بلوكها به کل سطح. طول کف زبر ( (LR از 1/6 تا 200/66 سانتیمتر تغییر میکند. فاصله از شروع پرش هیدرولیکی تا شروع بلوكها ( (Lb از 20 تا 140 سانتیمتر متغیر است. دبی توسط اریفیس متر کالیبره شده با دقت اندازه گیری شده است . دبی از حدود تغییر میکند.
در آزمایشات عمق پرش با استفاده از یک گیج با دقت 0/01 mm اندازه گیري شده است . پرش از حدود 10 سانتیمتر پاییندست دریچه شروع میشود. مقطعی که عمق ثانویه برابر عمق پایین دست میشود به عنوان انتهاي پرش هیدرولیکی پذیرفته شده است.شکل((1 آرایشی نمونه از بلوكها را درکف کانال نشان میدهد [ 5 ]
شکل– 1 پرش هیدرولیکی بر روي بستر زبر((a ، نحوه آرایش الگوهاي زبري (b)
تئوري مساله
محققین بسیاري همچون (Rajaratnam 1968, Hxghes and Flack 1984, Alhamid and Negm 1996, Negm 2000)
معادلات تئوري براي محاسبه عمق ثانویه پرش هیدرولیکی روي کف حوضچه آرامش را بیان کرده اند. از آن جا که بدست
آوردن یک معادله تئوري براي طول پرش مشکل است، بنابراین براي تعیین فاکتورهاي موثر بر طول و یا عمق پرش هیدرولیکی تحلیل ابعادي مورد استفاده قرار می گیرد. معادله ( ( 1 متغیرهاي مرتبط در این پدیده را تعریف میکند :
در این معادله، ρ چگالی آب، v1 سرعت متوسط در شروع پرش (مقطعی که عمق y1 است)، g شتاب ثقل، μ لزجت
دینامیکی آب، Lj طول پرش هیدرولیکی، LR طول کف پوشیده شده به وسیله بلوك، I تراکم زبري
b)= عرض کانال، = N تعداد بلوكها )، xo فاصله دریچه تا شروع بلوكها می باشد.
با استفاده از اصول تحلیل ابعادي رابطه ي زیر بهدست میآید:
در این رابطه F1 عدد فرود جریان ورودي در شروع پرش،R عدد رینولدز در y1 می باشد ( چون ویسکوزیته اغلب ثابت است تاثیر R کم می باشد لذا می توان از آن چشم پوشی کرد )
در این صورت معادله (2) به معادله زیر تبدیل میشود:
ثابت شده است که تراکم زبري بهینه حدود %10 است. بنابراین هنگامی که هدف پیدا کردن یک معادله طراحی براي طول بهینه پرش میباشد، میتوان از آن چشم پوشی کرد.
از معادله (3) براي بسط مدل رگرسیون عمومی و از معادله (4) به منظور بسط معادله طراحی براي طول بهینه پرش هیدرولیکی استفاده میگردد.[ 3 ] [ 2 ]
تحلیل و بحث
رابطه بین نسبت طول پرش و عدد فرود جریان ورودي F1 براي کف هموار (بدون بلوك) در شکل -a 2 ارائه شده است. یادآوري میشود که نسبت از یک روند خطی پیروي می کند. معادله زیر اطلاعات خوبی ( باماکزیمم خطاي مطلق ( % 4 بدست میآورد.
