بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقايسه قدرت جريان ثانويه در زواياي مختلف آبگيري از کانالهاي آبياري ذوزنقه اي
چکيده
تا به امروز تحقيقات زيادي بر روي پارامترهاي موثر در جريان انحرافي به آبگيرهاي جانبي انجام شده است . يکي از اين پارامترها قدرت جريان ثانويه (جريان گردابي ) مي باشد. اين پديده در کناره ديواره خارجي آبگير رخ مي دهد و حرکت آن بصورت مارپيچ مي باشد. حرکت مارپيچي جريان ثانويه باعث مکش رسوب به داخل اين گرداب و انتقال آن به پايين دست آبگير مي شود. در اين تحقيق با انجام آزمايشات و اندازه گيري پارامتر سرعت در آبگيرهاي منشعب از کانال ذوزنقه اي با زواياي مختلف آبگيري ، مقدار اين پارامتر محاسبه و با يکديگر مقايسه گرديد. با مقايسه نتايج مشخص شد که قدرت جريان ثانويه در آبگير با زاويه انحرافي ٣٠ درجه کمترين مقدار است ، لذا تاثير اين پارامتر در ورود رسوب به آبگير در زاويه ٣٠ درجه کمتر از زواياي ديگر است .
واژه هاي کليدي : کانال آبياري ، قدرت جريان ثانويه ، زاويه انحرافي
مقدمه
جريان انحرافي به آبگيرهاي جانبي هميشه براي مهندسين و محققين علم هيدروليک در طراحي و برنامه ريزي آب و شبکه هاي آبياري و زهکشي از اهميت خاصي برخوردار بوده است . عدم توجه به پارامترهاي موثر در جريان انحرافي گاه باعث کاهش کارايي و راندمان آبگير جانبي و در بعضي از مواقع عليرغم اختصاص هزينه بالا پس از مدت زماني کوتاه باعث بلااستفاده شدن آبگير شده است . پارامترهاي مختلفي مانند زاويه آبگيري ، شکل دهانه آبگير، قدرت جريان ثانويه ، رسوب ورودي به آبگير و ... در اين گونه جريانها مورد بررسي قرار گرفته است . هنگامي که جريان به آبگير نزديک مي شود، به خاطر فشار مکش انتهاي آبگير، جريان شتاب جانبي مي گيرد. اين شتاب باعث تقسيم جريان به دو قسمت مي شود. يک قسمت به داخل آبگير و مابقي به پايين دست کانال اصلي ادامه پيدا مي کند. قسمتي که به داخل آبگير وارد مي شود بوسيله يک سطح که سطح تقسيم جريان PF١ ناميده مي شود در شکل (١) نشان داده شده است . انحناء دار بودن سطح تقسيم جريان باعث عدم تعادل و موازنه جريان انحرافي بين گراديان فشار جانبي و نيروي گريز از مرکز و نيروي برشي شده که باعث تشکيل يک جريان ثانويه در جهت عقربه هاي ساعت مي شود. چنين جرياني در کنار ديواره کانال اصلي نيز شکل مي گيرد. باپيشروي به سوي پايين دست به خاطر ويسکوزيته جريان ، قدرت اين جريان ثانويه کاهش مي يابد.
شکل (١): الگوي جريان سه بعدي در آبگير
ايندلکوپر و همکاران PF (١٩٧٥) تأثير هندسه و پارامترهاي هيدروليکي بر حمل بار بستر در يک کانال مستطيلي مستقيم با آبگير ٩٠ درجه را مورد بررسي قرار دادند. آن ها برروي پديده جداشدگي جريان در کانال اصلي و نزديک آبگير تحقيقاتي را انجام دادند و دريافتند که جريان ثانويه حلزوني برروي جريان هاي نزديک کف اثر مي گذارد. به گونه اي که قسمت عمده باربستر را به درون آبگير منتقل مي کند. آنها همچنين عنوان نمودند که اگر نسبت دبي انحرافي بزرگتر از ٠.٥ شود تمام بار بستر به درون آبگير هدايت خواهد شد. نتايج بررسي اسچرلين PF٢ (١٩٨٤) نشان مي دهد جريان رودخانه در مسير مستقيم وقتي به محل آبگيري مي رسد، تبديل به دو جريان حلزوني مي گردد که جريان حلزوني در انشعاب با جهت مخالف با جريان در کانال اصلي توسعه مي يابد. طبق تحقيقات نيري و ادگاردPF٣ (١٩٩٣) در يک آبگير جانبي با انشعاب ٩٠ درجه توان چرخشي جريان ثانويه به صورت زير مي باشد:
در مواقعي که جريان حاوي رسوب باشد مؤلفه چرخش ثانويه بستر کانال ، مکانيزم حاکم در ورود رسوب به کانال آبگير مي باشد.
طبق تحقيقات رادکيوي و همکاران PF٤ (١٩٩٣) با افزايش زبري نسبي ، قدرت جريان ثانويه کاهش و ميزان رسوب ورودي نيز کاهش مي يابد. بارکدول و همکاران PF٥ (١٩٩٩) آزمايشاتي را جهت بررسي تأثير نسبت آبگيري بر جريان گردابي به وجود آمده در پاي ديواره کانال اصلي که باعث فرسايش ديواره مي شود در يک فلوم مجهز به تجهيزات رسوب در گردش ، انجام دادند. کرمي مقدم و کشاورزي PF١ (٢٠٠٩) با بکار بردن صفحات مستغرق با آرايش مختلف در دهانه آبگير ٥٥ و ٩٠ درجه در شرايط ورودي گردشده ، با اندازه گيري قدرت جريان ثانويه آرايش بهينه براي اين دو آبگير با کمترين مقدار رسوب ورودي را پيشنهاد دادند. جريان آشفته سه بعدي در يک خم ١٨٠ درجه همراه با آبگير جانبي در موقعيت ١١٥ درجه توسط منتصري و همکاران (١٣٨٧) بررسي شد. نتايج نشان داد حداکثر قدرت جريان ثانويه در مقطع ٤٥ درجه قوس اتفاق مي افتد. سيديان (١٣٨٩) با انجام آزمايشات هيدروليک و رسوب ، تأثير مايل کردن ديواره کانال اصلي بر ابعاد مجراي جريان ، قدرت گردابي و رسوب ورودي به آبگير را مورد بررسي قرار داد.
نتايج آزمايشات نشان داد قدرت جريان گردابي در آبگير به پارامتر زبري نسبي بستگي دارد اما قدرت جريان گردابي در کانال اصلي مستقل از زبري نسبي مي باشد و به نسبت آبگيري بستگي دارد. همچنين شيب ١٥=m ديواره کانال اصلي که منجر به ورود کمترين مقدار رسوب به آبگير شد به عنوان شيب بهينه پيشنهاد گرديد.
عليرغم تحقيقات زياد بر روي الگوي جريان ، اکثر آزمايشات بر روي کانالهاي اصلي مستطيل شکل انجام شده و تحقيقات کمي بر روي قدرت جريان حلزوني در کانال آبگير منشعب از کانال ذوزنقه صورت گرفته است . لذا در تحقيق حاضر به بررسي جريان ثانويه در آبگيرهاي منشعب از کانال ذوزنقه اي با زاويه ٣٠، ٤٥، ٦٠ و ٩٠ درجه پرداخته شده است . نظر به اينکه در تحقيق سيديان (١٣٨٩)، شيب ١٥=m با کمترين مقدار رسوب ورودي به آبگير پيشنهاد شده ، لذا در اين تحقيق آزمايشات در شرايطي انجام شد که شيب ديواره کانال اصلي ١٥=m درنظر گرفته شده است .
مواد و روشها
جهت مطالعه جريان ثانويه در آبگيرهاي منشعب از کانال ذوزنقه اي ، آزمايشاتي در يک فلوم مستقيم همراه با يک کانال انحرافي با زواياي ٣٠، ٤٥، ٦٠ و ٩٠ درجه انجام شد. مدل آزمايشگاهي در آزمايشگاه هيدروليک دانشگاه چمران اهواز ساخته شد. شکل ٢ جانمايي تجهيزات آزمايشگاهي را نشان مي دهد. کانال اصلي و کانال فرعي به ترتيب داراي طول حدود ٨ و ٥ متر و عرض کف
٢٢.٥ و ٢٠ سانتيمتر بود. مقطع کانال اصلي نيم ذوزنقه و کانال فرعي مستطيل شکل بود. شيب ديواره مايل کانال اصلي ١: ١.٥ (١٥=m) انتخاب شد. ارتفاع هر دو کانال ٧٠ سانتيمتر و ديواره هاي کانالها از پلکسي با ضخامت ١٠ ميليمتر استفاده گرديد.
کانال فرعي در فاصله ٥.٥ متري از ورودي کانال قرار گرفت . جهت تنظيم دبي و عمق آب در کانالها دو دريچه کشويي در انتهاي کانالها نصب گرديد. جريان آب از مخزن زيرزميني توسط يک پمپ تامين مي شد. براي اطمينان از توسعه يافتن جريان و آشفتگي کم ، يک آرام کننده جريان در ورودي کانال اصلي نصب گرديد. مقدار دبي کانال اصلي و فرعي به ترتيب توسط دو سرريز V شکل
٥٦ و ٩٠ درجه اندازه گيري مي شد. جهت اندازه گيري مولفه هاي سرعت ، سرعت سنج سه بعدي ADV مورد استفاده قرار گرفت .
مشهاي ٢×٥ سانتيمتري در بالادست آبگير و مشهاي ٢×٢ سانتيمتري در نزديکي آبگير براي اندازه گيري سرعت استفاده شد. اندازه گيري سرعت در نزديکي کف ، فاصله ٩ سانتيمتري از کف و ١٨ سانتيمتري از کف در مدت زمان ٦٠ ثانيه و با ميزان نمونه گيري ٦٥ هرتز صورت گرفت . برداشت سرعت از مبدا مختصات (o در شکل ٢) که در ٧٠ سانتيمتري بالادست آبگير قرار داشت انجام گرفت . عمق آب بالادست کانال اصلي ٢٥ سانتيمتر و عدد فرود انتخابي براي بالادست کانال اصلي ٠.٢٥، ٠.٣٠، ٠.٣٥، ٠.٤٠ و ٠.٤٥ بود. براي انجام هر حالت آزمايش ، ابتدا دبي کانال اصلي به ازاء عمق ٢٥ سانتيمتري و عدد فرود مورد نظر محاسبه گرديد، سپس اين دبي در شرايطي که هر دو دريچه کانالها کاملا پايين بود (حالت آزاد) در کانال اصلي برقرار و پس از ثابت شدن جريان ، نسبت دبي انحرافي با استفاده از سرريزهاي V شکل اندازه گيري گرديد. بعد از مشخص شدن نسبت دبي انحرافي ، دريچه ها به ميزاني بالا آورده شد که هم اين نسبت دبي و هم عمق ٢٥ سانتيمتري در بالادست تامين گردد. اندازه گيري هاي سرعت براي هر حالت بعد از پايدار شدن جريان و بطور مداوم و کامل در يک روز انجام گرفت .
شکل (٢): پلان تجهيزات آزمايشگاهي در اين مطالعه
نتايج و بحث
به علت توزيع غير عمودي سرعت و بالا بودن سرعت در سطح آب نسبت به کف ، ورتکس ثانويه اي که حرکت آن بصورت مارپيچي است در کناره ديواره بيروني کانال انحرافي ايجاد مي گردد. چنين ورتکسي در پايين دست کانال اصلي نيز ممکن است شکل بگيرد. حرکت مارپيچي اين جريان سبب ورود رسوب به داخل آبگير مي شود. قدرت اين ورتکس در هر مقطع بستگي به تفاضل سرعت عرضي در سطح و کف در آن مقطع دارد. بنابراين قدرت جريان ثانويه از رابطه (٢) محاسبه گرديده است . حرکت جريان ثانويه به گونه ايست که در ابتداي دهانه آبگير به صورت چرخشي با قدرت زياد تشکيل شده و مانند حرکت مته در داخل ديوار به سمت انتهاي آبگير پيشروي مي کند. جريان ثانويه هرچه از دهانه آبگير به سمت انتهاي آن پيشروي کند از قدرت آن کاسته مي شود.
با انجام آناليز ابعادي ، يکي از پارامترهاي بدون بعد حاصل شده ، پارامتر مي باشد که ks، زبري بستر و Du، عمق هيدروليکي بالادست کانال اصلي است . به اين نسبت بدون بعد زبري نسبي گفته مي شود. طبق تحقيقات رادکيوي و همکاران (١٩٩٣) با افزايش زبري نسبي ، قدرت جريان ثانويه کاهش و ميزان رسوب ورودي نيز کاهش مي يابد. بنابراين در اين قسمت براي بررسي قدرت جريان ثانويه از اين پارامتر بدون بعد استفاده مي شود. مقدار اين پارامتر براي عمقهاي ٠.١ متر، ٠.٢ متر و ٠.٢٥ متر به ترتيب برابر مي باشد. يکي ديگر از پارامترهايي که در قدرت جريان
