بخشی از مقاله
خلاصه
نمونه های کمی از طرح و اجرای هواده در مجاری بسته مخصوصا با مقطع گرد وجود دارد. نوعی از این هوادهها که در تونلهای با مقطع دایرهای استفاده میشود، هوادههای حلقوی میباشند. با توجه به کمبود اطلاعات و تجربیات، طراحی و محاسبه این هوادهها با استفاده از مدل های فیزیکی نهایی میشود. در این راستا در تحقیق حاضر سعی شده است با استفاده از مدل هیدرولیکی تخلیه کننده تحتانی سد گتوند علیا، به طراحی نمونهای از این سازهها پرداخته شود.
1. مقدمه
کاویتاسیون یا خلاءزایی پدیدهای است که در سرعتهای بالا باعث خرابی و ایجاد حفره در سازههای هیدرولیکی میگردد. گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت، در کوچکترین ناهمواری در مرزهای جریان، فشار منطقهای 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. این حبابها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقهای با فشار بالا رسیده، منفجر میشوند و تولید سر وصدا و امواج ضربهای میکنند. وقوع پدیده کاویتاسیون بستگی به فشار و سرعت جریان دارد و پیش بینی آن با عدد کاویتاسیون با تعریف زیرانجام می گیرد:
که در این رابطه P فشار مطلق، Pv فشار بخار آب، جرم حجمی سیال و V سرعت جریان میباشد. مطابق توصیه برخی از مراجع، برای جلوگیری از ایجاد کاویتاسیون این شاخص نمیبایست کمتر از 0/2 تا 0/25 کمتر شود
آزمایشها نشان داده است که وجود 8 درصد هوا در مرزهای جریان، میتواند به طور کامل از خسارتهای ناشی از حفرهزائی جلوگیری کند . - Peterka, 1953 - با قراردادن یک هواده در مسیر جریان، هوادهی امکانپذیر میشود. برای هوداهی کف تونل میتوان در مسیر آن رمپ و پله یا ترکیبی از آنها قرار داد
شکل .1 انواع هوادهها در سازههای هیدرولیکی
هر کدام از این هواده ها با ایجاد یک جدایش، باعث ورود هوا از سطح زیرین یا جوانب به داخل جریان میشوند. ابعاد رمپ هواده که باید طراحی شود، شامل طول و زاویه آن میباشد. با انتخاب این دو پارامتر، ارتفاع رمپ نیز مشخص خواهد شد. اجرای هواده در تونل ها خیلی معمول نبوده و طرحهای مختلف آن در دسترس نیست. در مجاری بسته با مقطع مستطیلی میتوان از طرح هواده ها در سرریز سدها به صورت شکل 1 استفاده نمود.
نکته حائز اهمیت این است که چون مقطع مجاری بسته محدود است لذا ارتفاع رمپ باید به گونهای باشد کهجِت جریان به سقف آن برخورد ننماید و پاشش زیاد جریان اتفاق نیفتد و موجب انسداد احتمالی مجرا نشود. در بیشتر سرریزهامعمولاً از زوایای بین 5 تا 12 درجه برای رمپ استفاده میشود. در گذشته برای هوادهی تونلهای دایروی از رمپهای حلقوی استفاده شده است
کاربرد هواده های حلقوی در تونلهای سرریز و تخلیه کننده تحتانی بعضی از سدها همچون Blue Mesa - 1970 - ، Flaming Gorge - 1975 - ، Glen Canyon - 1980 - ، Hoover - 1987 - و Yellow Tail - 1967 - در بعضی مقالات مورد اشاره قرار گرفته، ولی اطلاعات کافی از این هواده ها در دسترس نمیباشد.
2. مدل آزمایشگاهی
سد و نیروگاه گتوند علیا بر روی رودخانه کارون قرار دارد. این سد از نوع سنگریزهای با هسته رسی و به ارتفاع 178 متر از پی بوده و دارای سه تونل تخلیهکننده تحتانی با شکل مقطع نعل اسبی است. قطر متوسط هر تونل 9/5 متر و طول متوسط آن 1514 متر میباشد. مدل با مقیاس 1:25 ساخته شد که شامل قسمتی از مجرای تحت فشار بالادست، مجرای دریچهها، دریچههای اضطراری و سرویس، تمام طول تونل در پائیندست دریچهها، حوضچه آرامش و قسمتی از پایاب جهت تنظیم تراز آب در پائیندست میباشد. شکل 2، بصورت شماتیک از ابتدای دریچه تا انتهای هواده حلقوی اول را نشان می دهد.
شکل .2 مقطع و پلان مدل از دریچه تا انتهای اولین هواده حلقوی
در طرح مدل هیدرولیکی - تخلیهکننده تحتانی با جریان سطح آزاد پس از دریچه - از معیار تشابه عدد فرود، استفاده شده است. به حداقل رساندن خطاهای مقیاسی که در مدلسازی جریانات آب و هوا از اهمیت ویژهای برخوردار است. بر اساس نظریه - Ervin and Falvey 1987 - ، تشابه کامل بین مدل و پروتوتیپ در صورتی ممکن است که طیف انرژی آشفتگی در محدوده طول گردابهها یکسان باشد
معمولاً مدلهای مقیاسی در مقایسه با پروتوتیپ دارای انرژی آشفتگی کمتری میباشند. با توجه به موارد مذکور، نکته با اهمیت در ارزیابی نتایج یک مدل فیزیکی آن است که مقدار تاثیر مقیاس بر روی پدیدههای مختلف مورد مطالعه در آن مدل به حداقل برسد. به عنوان مثال در مطالعه جریان بر روی هواده، مشخصات هندسه جریان از قبیل طول جت را میتوان با مدلی به مقیاس 1:50 با دقت خوب مورد مطالعه قرار داد، در صورتیکه مطالعه هواگیری جریان، با این مقیاس، نمیتواند به صورت صحیح انجام گیرد
شبیهسازی هواگیری جریان ممکن است توسط قانون فرود انجام گیرد، به شرط آنکه مدل به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتوان از تاثیر ویسکوزیته و کششسطحی بر نتایج صرفنظر نمود و شدت آشفتگی موجود در مدل کافی باشد - Falvey - 1984 - Shao and Pan .and Ervine 1986 - ، جهت بررسی پدیده هواگیری، مدل فیزیکی هواده سد Fengjiashan را با مقیاسهای 1:12، 1:15، 1:20 و 1:30 مورد مطالعه قرار دادند. آنها همچنین یک مدل جامع با مقیاس 1:40 ساخته و نتایج هواگیری آن را با نتایج پروتوتیپ مقایسه کردند.
نتایج آزمایشهای آنها نشان داد که مقدار هوای ورودی از مجرای هواده در مدلهای با مقیاس 1:12، 1:15 و 1:20 با نتایج پروتوتیپ همخوانی و تطابق خوبی دارد، درصورتیکه نتایج مقدار هوای ورودی در مدل 1:30 کمتر از مقادیر مشابه پروتوتیپ بود. زراتی و همکاران - 1379 - ، با ساخت یک هواده با مقیاس های مختلف نشان دادند که اگر بستر مدل مشابه پروتوتیپ از نظر هیدرولیکی زبر باشد می توان بر خطاهای مقیاسی از نظر هوای داخل شده به آب غلبه نمود. کاویانپور و همکاران نیز تحقیقات مشابهی را به انجام رسانده اند.
با توجه به مطالب بالا تشابهسازی دینامیکی پدیده هوادهی در مدلهایی که بر اساس قانون تشابه فرود ساخته میشوندتقریباً غیر ممکن بوده زیرا اغنا کردن تشابه اعداد فرود و رینولدز بطور همزمان امکانپذیر نمیباشد
در این روابط Rh شعاع هیدرولیکی، V سرعت جریان در مقطع دریچه، w بازشدگی دریچه و w بترتیب دانسیته آب، کشش سطحی و لزجت سینماتیکی سیال میباشند. مطابق با توصیه Speerli & Hager - 2000 - و - Toombes & Chanson - 2007، چنانچه Re 10 5 و We 110 باشد اثرات مقیاسی ناشی از لزجت و کشش سطحی به حداقل مقدار خود میرسد.
یکی از طرحهای ارائه شده برای هوادهها در تونلهای با مقطع دایرهای، استفاده از رمپ حلقوی است که ارتفاع آن به صورت تدریجی در محور تونل از حداکثر تا ضخامت صفر در نقطهای که سطح آزاد آب در دبی ماکزیمم به آن نمیرسد، کاهش یابد. با این کار علاوه بر هوادهی جریان در تمام سطح تونل، از تشکیل جریان باله ای شکل در پائین دست هواده نیز جلوگیری بعمل میآید. در مقاله حاضر سعی شده است با استفاده از مدل فیزیکی سد گتوندعلیا، اقدام به طراحی هوادههای حلقوی پس از دریچه شود. باید توجه داشت که مقطع تونل های مورد مطالعه دایروی نبوده بلکه به صورت نعل اسبی میباشد.
3. ارائه نتایج
به منظور طراحی هندسی و جانمایی هواده های حلقوی، گزینههای مختلفی طراحی و مورد آزمایش قرار گرفت:
گزینه شماره 1 هواده حلقوی: در اولین گزینه مطابق طرح های موجود در تونل های دایروی یک هواده به صورت قوسی از دایره طراحی و ساخته شد، شیب رمپ این هواده %10 - معادل 5/7 درجه - درنظر گرفته شد. از اینرو چنانچه حداکثر ارتفاع رمپ در کف را معادل 0/75 متر 3 - سانتیمتر در مدل - در نظر بگیریم، طول آن معادل 7/5 متر 30 - سانتیمتر در مدل - خواهد بود. ضخامت هواده در اطراف به نحوی کاهش داده شد که در بالاتر از حداکثر سطح آب در تونل به صفر برسد. در واقع قوس کف رمپ به این ترتیب بدست آمده که از مرکز دایره مقطع اصلی قطر به میزان 0/75 متر کاسته شده و قوسی نشان دهنده محل رمپ هواده زده شد - شکل . - 3 با توجه به طول تونل که در خطر کاویتاسیون قرار داشت 4 هواده با شکل بدست آمده در فاصله 55 متری - پروتوتیپ - از یکدیگر در تونل نصب شد.
