بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مسائل مهم در طراحی سرریزها، اطمینان از برقراري جریان ورودي آرام و بدون تشکیل گردابه قوي در شرایط مختلف بهره برداري می باشد. عدم همگرایی جریان در مجاورت تکیه گاه ها می تواند بر ضریب آبگذري، پروفیل جریان و حتی ویژگی هاي هیدرولیکی جریان در پایین دست سرریز اثر نامطلوب داشته باشد. استفاده از مدل فیزیکی با مقیاس مناسب و شبیه سازي جریان بالادست سرریز می تواند روشی براي جلوگیري از خطرات احتمالی و انتخاب اقتصادي ترین ترکیب براي کارکرد بهینه سرریز باشد.
این مقاله، با استفاده از مدل فیزیکی سرریز سد گلابر، به بررسی شرایط جریان بالادست سرریز پرداخته و با طراحی گزینه هاي مختلف، مناسب ترین گزینه را براي دیوارهاي هادي جریان بالادست سرریز پیشنهاد می کند. ضریب آبگذري جریان قبل و بعد از بهینه سازي ارائه گردیده است. نتایج نشان دادند که دیوارهاي هادي در برخی موارد باعث افزایش ضریب آبگذري شده است. همچنین، ضرایب کاویتاسیون در طول سرریز محاسبه گردید که نشانگر عدم احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون در طول سرریز در حضور دیوارهاي هادي جریان می باشد.
.1 مقدمه
سرریز یک سازه هیدرولیکی براي عبوردادن دبی طرح و نرمال سیلاب است بطوریکه به سد و سازه هاي متعلق به آن آسیبی وارد نشود. در یک سرریز دریچه دار، تراز سطح آب براي دبی طرح معمولا در نزدیکی تاج دریچه ها قرار دارد، هرچند در برخی مواقع ممکن است تراز سطح آب به دلیل تخلیه از دیگر تخلیه کننده ها، کاهش یابد. هدف اصلی یک سرریز دریچه دار ایجاد ماکزیمم ذخیره سیلاب می باشد. براي طراحی یک سرریز، این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که جریان یکنواخت و بدون تلاطم براي شرایط مختلف جریان در کانال تقرب، باعث عبور دبی سیلاب به صورت ایمن و مطلوب خواهد گردید . - Zipparo, 1993 - از طرفی سرعت ماکزیمم در شرایط بحرانی نباید باعث آبشستگی مصالح بستر در کانال تقرب گردد.
انحناي جریان در پلان در طول کانال تقرب باید تدریجی باشد به گونه اي که باعث تولید امواج سطحی و اغتشاش روي سرریز نشود. دیوارهاي هادي که جریان ورودي را به سازه کنترل - آستانه سرریز - منتقل می نمایند باید از تاج به سمت بالادست تا جایی ادامه یابند که سرعت جریان به قدر کافی کاهش یافته باشد، به طوري که از تشکیل گردابه هاي قوي و انتقال آن ها به روي تاج سرریز جلوگیري شود. در صورت لزوم دیوارهاي هدایت در انتهاي بالادست خود باید به شکلی انحنا داشته باشند که در پلان از شکل خطوط جریان پیروي نمایند. شرایط نامساعد جریان در کانال جریان می تواند باعث توزیع غیریکنواخت سرعت و کاهش ضریب جریان، لرزش دریچه ها و تولید امواج قوي گردد که می تواند تا روي تنداب ادامه یافته و باعث توزیع نامتقارن جریان در انتهاي سازه و بروز مشکلات اساسی گردد.
کاویتاسیون یا خلاءزایی پدیدهاي است که در سرعتهاي بالا باعث خرابی و ایجاد حفره در سازههاي هیدرولیکی میگردد. گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت، در کوچکترین ناهمواري در مرزهاي جریان، فشار منطقهاي پائین آمده و ممکن است فشار موضعی در آن منطقه کاهش یافته و به فشار بخار سیال برسد. در این صورت آب به بخار تبدیل شده و حبابهایی از بخار بوجود میآید. با برقراري شرایط نامطلوب در بالادست سرریز، خسارات به بار آمده بسیار پر هزینه و در برخی شرایط جبران ناپذیر خواهد بود، به همین منظور طراحی کانال تقرب جریان از مسایل بسیار مهم در طراحی یک سرریز می باشد. در این مطالعه با استفاده از مدل فیزیکی سرریز سد گلابر، به بررسی شرایط جریان بالادست سرریز پرداخته و با آزمودن گزینه هاي مختلف دیوارهاي هادي جریان به بهینه سازي شرایط کانال تقرب در بالادست سرریز پرداخته می شود.
ضریب دبی جریان قبل و بعد از بهینه سازي محاسبه شده و همچنین احتمال رخداد پدیده کاویتاسیون روي سرریز بررسی گردیده است. با توجه به اینکه رخداد کاویتاسیون و پیامدهاي ناشی از آن موجب ایجاد خسارت در تنداب ها می شود لذا با استفاده از اطلاعات اندازه گیري شده، شاخص کاویتاسیون در مقاطع مختلف در طول سرریز و در سه دبی متفاوت محاسبه گردیده است تا مقادیر بحرانی این شاخص تعیین گردد.
.2 مدل آزمایشگاهی
سد گلابر از نوع سنگریزه اي با هسته رسی با ارتفاع 57 متر و طول تاج 247 متر می باشد. مدل فیزیکی سرریز این سد با مقیاس 1:30 ساخته شد که شامل مخزن بالادست، سرریز، تنداب و حوضچه آرامش می باشد. سرریز، تنداب و حوضچه آرامش به منظور مشاهده الگوي جریان روي آن ها از جنس پلکسیگلاس بوده و در تمام قسمت هاي سازه و در مکانهاي مناسب، جهت اندازهگیري فشار، پیزومتر نصب شده است. شکل 1 نماي کلی از مدل فیزیکی سرریز، تنداب و حوضچه آرامش پس از نصب در مدل هیدرولیکی را نشان می دهد.
براي اندازه گیري فشار استاتیکی و پارامترهاي مختلف هیدولیکی، تعداد 57 نقطه اندازه گیري روي سرریز در نظر گرفته شده است. محل هایی که مقادیر سرعت یا عمق از اهمیت ویژه اي برخوردارند مانند اطراف دیوار هدایت سمت چپ و همچنین در نزدیکی سرریز، تمرکز ایستگاه ها بیشتر و در دیگر مناطق تمرکز آن ها کمتر است. تعداد نقاط به گونه اي است که می توان به راحتی توزیع سرعت، عمق جریان و فشار پیزومتریک را مشخص نموده و به بررسی خصوصیات جریان پرداخت. لازم به ذکر است اندازه گیري سرعت جریان در این محدوده توسط دستگاه میکرو مولینه انجام پذیرفت که با توجه به تشکیل جریان زیربحرانی در کانال تقرب و لذا وجود سرعت هاي پایین، در بازه 0/1 تا 3 متر بر ثانیه در مدل را با دقت قابل قبولی اندازه گیري نماید.
.3 ارائه نتایج
دیوار هادي سمت راست در امتداد شرایط طبیعی در محل، بر روي مدل اجرا گردید که بعلت عدم تغییر جهت جریان در محل دیوار و ثابت ماندن شکل الگوي جریان، جداشدگی در جریان نسبت به دیوار مشاهده نگردید. با توجه به شرایط ویژه مخزن مورد مطالعه که ایجاب می کرد جریان از سمت چپ سرریز پس از تغییر جهت دادن به سمت سرریز هدایت شود، هندسه دیوار سمت چپ بسیار مهم بوده و تاثیر بسزایی روي افت انرژي و یکنواختی جریان دارد. دیوارهاي هادي سرریز از دو قسمت تشکیل شده است. قسمتی از این دیوارکه در مجاورت تاسیسات کنترلی سد قرار دارد به منظور تامین یکنواختی جریان بصورت مستقیم پیش بینی شده و قسمت بالادست دیواره به منظور کاهش افت انرژي بصورت قوسی طراحی گردیده است.
شکل2، پلان یک دیوار هادي نمونه و اجزاي آن را به طور شماتیک نشان می دهد. مشاهدات اولیه نشان می دهد که دیوار هادي سمت راست عملکرد خوبی داشته و جریان را به خوبی روي سرریز منتقلمیکند - شکل -3الف - . ولی دیوار هادي سمت چپ داراي عملکرد خوبی نبوده و باعث آشفتگی جریان در قسمت انحنا و کانال تقرب می گردد - شکل -3ب - . جهت بهینه سازي الگوي جریان در کانال تقرب گزینه هاي مختلفی از دیوارهاي هادي جریان مورد آزمایش قرار گرفت. هر گزینه با توجه به عملکرد گزینه قبلی و تاثیر آن روي شرایط جریان طراحی گردید و در نهایت بهترین گزینه جهت استقرار در بالادست سرریز بدست آمد. مراحل بهینه سازي کانال تقرب و شرایط جریان با نصب هر گزینه به طور خلاصه ارائه می گردد.
