بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقایسه داده هاي آزمایشگاهی و صحرایی در برآورد مقاومت جریان و ضریب زبري در کانالهاي با پوشش گیاهی
خلاصه
یکی از موضوعات اساسی و مورد نیاز در محاسبات و طراحی هاي هیدرولیکی ضریب مقاومت جریان است. جریان سیالات واقعی همیشه با مسأله مقاومت و افت انرژي همراه می باشد و جریان آب در کانالهاي باز نیز از این قاعده کلی مستثنی نیست. در واقع برآورد مقاومت جریان براي محاسبه دبی، سرعت و انتقال رسوب که از اهداف بسیاري از پروژه هاي تحقیقاتی و عمرانی است ضروري است. همچنین ضریب مقاومت جریان یکی از فاکتورهاي اصلی در مدلهاي شبیه سازي آبراهه هاي طبیعی به شمار می رود. سواحل و دشتهاي سیلابی آبراهه هاي طبیعیعموماً توسط پوشش گیاهی پوشیده شده است. ساقه و شاخ و برگ گیاهان از طریق ایجاد آشفتگی در جریان، مقاومتی را ایجاد می کنند که باعث از دست رفتن مقداري از انرژي آب می شود. این پوشش گیاهی که شامل دامنه اي از علفها، بوته ها، درختچه ها و درختان است در دیواره هاي کانال بیشتر از بستر می باشند. در طبیعت پوششهاي گیاهی دامنه وسیعی از شکل و انعطاف پذیري را شامل می شوند. همچنین آبراهه هاي کوهستانی داراي مشخصاتی نظیر بستر درشت دانه، شیب تند و جریان متلاطم و عمق کم می باشند. بنابراین جریان در این آبراهه ها به صورت زبر غیریکنواخت می باشد. از طرف دیگر در آزمایشگاهمعمولاً از زبري مصنوعی گاهاًو از پوشش هاي طبیعی خاص براي شبیه سازي پوشش گیاهی جداره ها وکف استفاده شده و جریان نیزعموماً یکنواخت فرض می شود. بنابراین لازم است تأثیر پوشش گیاهی و قلوه سنگ در برآورد ضریب زبري در کانالها از طریق کاربرد جزئیات نیمرخ سرعت و تئوري لایه مرزي مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق سعی بر این شده است که با برداشت داده هاي صحرایی از کانالهاي طبیعی داراي پوشش گیاهی در دیواره ها و قلوه سنگ در کف و مقایسه آنها با داده هاي برداشت شده در آزمایشگاه ، شکل پروفیلهاي سرعت و اعتبار قانون لگاریتمی در کانال هاي داراي پوشش گیاهی مورد بررسی قرار گیرد.
کلمات کلیدي : پوشش گیاهی ، نیمرخ سرعت ، قانون لگاریتمی
مقدمه
تحقیقات هیدرودینامیکی در کانالهاي با پوشش گیاهی بر اساس اندیشه بهینه سازي و مدیریت رودخانه و توسعه پایدار منابع آب ، در پیش روي ما قرار گرفته است. در حال حاضر اهمیت تحقیقات هیدرودینامیک و مطالعات با موضوع مقاومت جریان و مکانیزم توربولانس در کانالهاي با پوشش گیاهی درکل دنیا مورد توجه قرار گرفته و مرسوم شده است. شبیه سازي شکل و حالت گیاهان قابل انعطاف و قوانین کمی بین مقاومت جریان و درجه سختی گیاه و آشفتگی هاي غیرهمگن از موضوعاتی است که نیاز به بررسی آنها اجتناب ناپذیر است. [1 ] بهینه سازي رودخانه ها که از طرق سازه اي و غیرسازه اي قابل انجام است یک از پیشرفتهاي مهم و رایج در مهندسی رودخانه است. مهندسین و دانشمندان هیدرولیک که روي بهینه سازي رودخانه کار می کنند، نیاز براي فهم عمیق تر از آبراهه هاي طبیعی به عنوان یک سیستم دینامیک و پیچیده اي که نه فقط شامل المانهاي بی جان همچون رسوب است بلکه حاوي مؤلفه هاي بیولوژیک و جاندار است را سازماندهی می کنند. از این نقطه نظر نقش گیاهان رودخانه اي در دینامیک رودخانه و شرایط جریان، نقشی حیاتی است. [2 ] پوشش گیاهی در زیر سطح آب از دو طریق باعث پایداري دیواره ها می شود : .1 سیستم ریشه گیاه از طریق تشکیل یک شبکه درهم تنیده باعث افزایش مقاومت برشی دیواره رودخانه می شود. [3 ] در واقع ریشه گیاهان ذرات شن و ماسه را در داخل یک پوسته چسبنده گرفتار می کند و به این ترتیب باعث افزایش تنش برشی مورد نیاز براي حرکت ذرات می شود. .2 ساقه و شاخ و برگ گیاهان از طریق ایجاد آشفتگی در جریان ، مقاومتی را ایجاد می کنند که باعث از دست رفتن مقداري از انرژي آب می شود. [4 ]
پوشش گیاهی در سواحل و دشتهاي سیلابی دامنه وسیعی از شکل و انعطاف پذیري را شامل می شود که در دیواره کانال بیشتر از بستر می باشد.
همچنین ارتفاع، تراکم و نوع پوشش گیاهی در یک مقطع عرضی و همچنین درطول مسیر جریان به طور قابل ملاحظه اي تغییر می کند. بنابراین، شبیه سازي این پوشش با زبري مصنوعی در کانالهاي آزمایشگاهی تا حد زیادي غیرواقعی است. ضمن اینکه آبراهه ها در ایران با توجه به نیمه کوهستانی بودن این کشور داراي مشخصاتی نظیر بستر درشت دانه، شیب تند و جریان متلاطم و عمق کم می باشند و جریان در این آبراهه ها به صورت غیریکنواخت است. در آزمایشگاهمعمولاً از زبري مصنوعی گاهاًو از پوشش هاي طبیعی خاص براي شبیه سازي پوشش گیاهی جداره ها وکف استفاده شده و جریان نیزعموماً یکنواخت فرض می شود.
محققین در این زمینه تحقیقات وسیعی انجام داده اند که برخی از موارد جدیدتر آن به شرح زیر است :
(2005) Bixio & Defina توانایی دو مدل ریاضی مختلف براي پیش بینی جریان یک بعديکاملاً توسعه یافته در یک کانال باز را در حضور پوشش گیاهی غیرقابل انعطاف با اشکال پیچیده و همراه با برگ در حالت مستغرق یا غیر مستغرق بررسی کردند. این محققین نتایج مدلها را با داده هاي آزمایشگاهی بدست امده از سیلندرهاي ساده ، نمونه هاي گیاهی پلاستیکی یا گیاهان واقعی مقایسه نمودند که بر این اساس براي سرعت و تنش برشی توربولانس ، توافق خوبی بین نتایج مدل و داده هاي آزمایشگاهی مشاهده گردید. از طرف دیگر در مقایسه توزیع eddy viscosity ، شدت توربولانس در جهت جریان و اکثر مواردي که مربوط به انرژي جنبشی توربولانس بود توافقی بین مقادیر محاسبه شده و اندازه گیري شده مشاهده نشد ( 2003) Velasco . [5 ] و همکاران تعامل هیدرومکانیکی بین جریان و پوشش گیاهی قابل انعطاف در کف رودخانه را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق ، تستهاي آزمایشگاهی و اندازه گیریهاي توربولانس در جریان ، در یک کانال باز با پوشش گیاهی مصنوعی که در شنهاي بستر فرو برده شده بودند انجام پذیرفت که بر این اساس روابط جالبی بین سرعت و ارتفاع خم شده پوشش گیاهی بدست آمد( 2001)Onitsuka & Nezu . [2 ] اندازه گیریهاي توربولانس را در یک کانال باز با پوشش گیاهی و فقط در نیمه راست یا چپ مقطع عرضی بوسیله laser Doppler anemometer(LDA) و particle-image velocimetry(PIV) انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که شدت جریانهاي ثانویه و انرژي توربولانس با افزایش عدد فرود افزایش می یابد. توبولانس در نزدیک سطح آب بوسیله جریانهاي ثانویه در جهت افقی انتقال پیدا می کند. همچنین در این تحقیق تنش برشی بستر در منطقه با پوشش گیاهی بوسیله معادلات رینولدز و با کمک ضریب درگ تجربی محاسبه شدBaptist . [6 ] و همکاران((2007 در پژوهش خود به مقایسه معادلاتی می پردازند که از زوایاي مختلف بیان کننده زبري پوشش گیاهی است. این نویسندگان یک مدل عددي توربولانس ( 1-DV K-ε) را مورد ارزیابی قرار می دهند. یک روش نو در کاربرد تکنیک genetic programming ارائه می کنند تا بتواند بیانی براي زبري بر اساس داده هاي پوش گیاهی بدست آورد. [7 ]
همچنین محققین دیگري همچون Jordanova و همکاران [8 ](2006) ، Armanini و همکاران [9 ](2005) ، Cruise JF& Musleh FA [10 ] (2006) ، Carollo و همکاران([11 ](2005 ، [12 ](2005) Jarvela ، James و همکاران [13 ](2004) در این زمینه تحقیقاتی را انجام دادند.
هدف تحقیق حاضر برداشت داده هاي صحرایی در کانالهایی با پوشش گیاهی در دیوار و قلوه سنگ با d50=29-61mm در کف ، مقایسه بین پروفیلهاي سرعت، تعیین منطقه اعتبار قانون لگاریتمی و مقایسه مقادیر f دارسی ویسباخ تحت شرایط صحرایی و آزمایشگاهی است.
مواد و روشها
آزمایشات این تحقیق شامل داده برداري هاي صحرایی در قالب یک کانال طبیعی با پوشش گیاهی در کناره ها و قلوه سنگ در کف واقع در استان اصفهان می باشد. [14 ] در این کانال 6 مقطع عرضی و در هر مقطع ، 3 پروفیل سرعت واقع در محور مرکزي کانال و سمت چپ و راست آن در نظر گرفته شده است . براي اندازه گیري عمق آب در هر مقطع از شاخص یا میله مولینه که بر حسب سانتی متر مدرج شده استفاده شده است.
سرعتهاي نقطه اي در هر مقطع در راستاي قائم از کف بستر تا سطح آب بوسیله یک دستگاه مولینه اندازه گیري شده است که نزدیکترین نقطه نزدیک بستر به فاصله 3 سانیمتر از آن می باشد . در هر پروفیل بین 12 تا 16 سرعت نقطه اي برداشت شده است.
شیب طولی بستر و همچنین شیب سطح آب نیز با استفاده یک دستگاه تئودولیت و شاخص تعیین گردید .
براي تعیین قطر ذرات بستر در هر مقطع به علت عرض کم بستر تعداد 25 عدد سنگ به طورکاملاً تصادفی از یک شبکه 0.5 متر در 0.5 متر برداشت شده و با استفاده از کولیس قطر میانه آنها اندازه گیري و ثبت گردید. بعد از آن ، منحنی هاي دانه یندي براي تمام مقاطع مورد مطالعه ترسیم شد و مقادیر d16 ، d35 ، d50 ، d65 و d84 استخراج گردید.
به منظور تعیین مشخصات هندسی پوشش گیاهی موجود روي دیواره کانالهاي مورد مطالعه، در هر یک از دیواره هاي مقطع یک شبکه 0.25 متر در 0.25 متر انتخاب شده است. سپس تمام گیاهان موجود در شبکه را بیرون کشیده و قطر ساقه ها اندازه گیري و همانند ذرات بستر براي آنها منحنی توزیع قطرها ترسیم شده است و با استفاده از آن، قطر متوسط ساقه برآورد گردیده است. براي تعیین تراکم نیز تعداد گیاهان موجود در شبکه در هر محور از مقطع مشخص گردید.
هنگام عیور جریان از روي بستر یک کانال یا رودخانه ، دو ناحیه در نیمرخ سرعت جریان قابل تشخیص است :
-1 ناحیه نزدیک کف یا ناحیه داخلی : که در آن جریان تحت تأثیر شرایط کف کانال بوده و عامل لزوجت غالب می باشد. در ناحیه داخلی پروفیل سرعت ، توزیع سرعت لگاریتمی است و از قانون جهانی دیوار(قانون لگاریتمی ) تبعیت می کند15 ]و. [16
u سرعت نقطه اي که در فاصله y از سطح مبنا اندازه گیري شده است
d x قطر مشخصه ذرات بستر
βثابت عددي
k ثابت عددي ون کارمن که در آزمایشات کرنتو و گراف براي ذرات شن 0.4 بدست آمده است.
-2 ناحیه خارجی : در این ناحیه، داده ها در هر نیمرخ سرعت از قانون لگاریتمی منحرف شده و طبق مطالعات هاما به یک قانون تجربی (قانون سهمی) برازش می یابد. [16 ]
در این مطالعه در ابتدا پروفیلهاي سرعت با ترسیم U/Umax در مقابل y/h رسم گردید که U سرعت نقطه اي در عمق y از بستر، Umax ماکزیموم سرعت نقطه اي در هر پروفیل و h عمق جریان براي هر پروفیل است . براي هر بازه تمامی پروفیلهاي مربوط به سمت چپ محور مرکزي کانال که عموماً در فاصله 20cm از دیواره سمت چپ قرار دارند، در یک نمودار رسم شد . همین کار براي تماي پروفیلهاي مربوط به محور مرکزي کانال و محور سمت راست آن انجام شد. از مقایسه نمودارهاي رسم شده این نتیجه بدست می آید که در تمامی محورهاي سمت چپ و راست ، ماکزیموم سرعت در محدوده y/h بین 0.6 تا 0.8 اتفاق می افتد در حالی که در تمامی پروفیلهاي واقع در محور مرکزي کانال ماکزیموم سرعت در محدوده y/h بین 0.85 تا 0.95 است. که y فاصله از سطح مبنا و h عمق آب می باشد. بنابراین در محور مرکزي کانال در جریان غیریکنواخت، ماکزیموم سرعت در عمقی بسیار نزدیک به سطح آب اتفاق می افتد در حالی که در دو طرف محور مرکزي و نزدیک به دیواره ها، حداکثر سرعت در اعماقی با فاصله دورتر از سطح آب اتفاق می افتد. علت این امر را می توان مربوط به برآمدگی ها و فرورفتگی هاي بستر و همچنین نسبت ظرافت (نسبت عرض به عمق) و تأثیر آن در دو یا سه بعدي شدن جریان و همچنین اثر پوشش گیاهی دانست. در شکل((1 نمونه اي از پروفیلهاي سرعت آورده شده است:
بیشتر مطالعاتی که در این زمینه صورت گرفته ، بر اساس تحقیقات آزمایشگاهی با زبري مصنوعی و شرایط جریان یکنواخت در شرایطی است که پوشش گیاهی در کف قرار دارد و دیواره هاعموماً شیشه اي است. از جمله این تحقیقات ، مطالعات کومو((2002 است . [17 ] لازم به ذکر است که تحقیقات کومو همچون سایر منابع ذکر شده در مقاله تنها به منظور مقایسه مورد استفاده قرار گرفته است. او بستر یک کانال آزمایشگاهی با ابعاد 50 متر طول، 1.1 متر عرض و 1.3 متر ارتفاع را با سه پوشش گندمهاي سبز شده ، شن با اندازه 3-5mm و شن با اندازه 16-32mm پوشاند . روي بستر با پوشش گیاهی در سه مقطع و در هر مقطع در فاصله 0.37 متر از دیواره، و روي هر کدام از پوششهاي شن در یک مقطع و در فاصله 0.33 و 0.44 متر از دیواره اقدام به برداشت پروفیلهاي سرعت کرده است. از آنجا که او براي برداشت سرعتهاي نقطه اي ازacoustic Doppler ) ADV ( velocimeter استفاده کرده است پروفیلهاي سرعت، شامل سرعتهاي نقطه اي از کف تا حدود y/h=0.9 می باشند. همان طور که در شکل (2) نیز مشاهده می شود با افزایش عمق ، سرعت نیز افزایش پیدا کرده است . بنابراین در شکل این پروفیلها ماکزیموم سرعت درy/h=0.9 اتفاق می افتد. حتی اگر فرض کنیم که ماکزیموم سرعت در این پروفیلها در زیر سطح آب اتفاق می افتدقاعدتاً، این سرعت حداکثر باید در محدوده y/h=0.9 تاy/h=1 رخ بدهد.با توجه به اینکه محل اندازه گیري این پروفیلهاي سرعت در محور مرکزي کانال نیست می بینیم که محل وقوع سرعت حداکثر در نزدیک دیواره هاي پوشیده از پوشش گیاهی در فاصله بیشتري از سطح آب قرار دارد نسبت به محل وقوع سرعت ماکزیموم در روي پوشش گیاهی . در شکل (2) نمونه اي از پروفیلهاي سرعت برداشت شده در آزمایشات کومو نشان داده شده است:
شکل پروفیلهاي سرعت در موارد مشابه همچون آزمایشات (2002) Stephan & Gutknech و Wilson و همکاران((2003 نیز با مطالب ذکر شده همخوانی دارد.
در مرحله بعد تلاش شد تا قانون لگاریتمی بر داده هاي برداشت شده برازش یابد. به این ترتیب که مقادیر u در مقابل ln((y+0.1d50)/d50) رسم شده و تلاش می شود بهترین خط با ضریب تعیین بالا بر داده ها برازش یابد. نمودارها نشان می دهند که در بازه هاي مورد مطالعه حد بالایی اعتبار قانون لگاریتمی بین y/h=0.25-1 است . با توجه به اینکه نزدیکترین نقطه اندازه گیري شده در فاصله 3cm از بستر قرار دارد و امکان اندازه گیري سرعت در فاصله نزدیکتر به بستر بوسیله مولینه وجود نداشته است ، قضاوت راجع به حد پایینی منطقه اعتبار قانون لگاریتمی مشکل است. به گفته (2006) Guoliang & Soon-Keat فاصله اولین نقطه برداشت شده از بسترقویاً روي این مسأله تأثیر می گذارد که آیا پروفیل سرعت از قانون لگاریتمی تبعیت می کند یا خیر. این در حالی است که تحقیقات سانگ و گراف((1994 بیان می کند که محدوده اعتبار قانون لگاریتمی از کف تا فاصله y/h=0.2 است .
آنچه جالب توجه است این است که محدوده اعتبار قانون لگاریتمی در محور مرکزي کانال در اغلب موارد تا y/h=1 می باشد و در دو سوي محور مرکزي ، به y/h=0.76 می رسد. علت این امر ، درشت دانه بودن ذرات بستر و عدم یکنواختی آنها و حضور پوشش گیاهی می تواند باشد. در شکل (3) نمونه هاي از برازش قانون لگاریتمی بر داده ها و در جدول (1) محدوده اعتبار قانون لگاریتمی نمایش داده شده است.
