بخشی از مقاله
خلاصه
همواره کاهش هزینههای لازم برای احداث حوضچههای آرامش در پاییندست سازههای آبی که جریان بعد از آنها منجر به پرش هیدرولیکی میگردد، مورد توجه طراحان و مهندسین بوده است. ایدههای متعددی همچون تغییر زبری کف، ایجاد بلوکها، استفاده از شیب معکوس حوضچه و سایر موارد در این رابطه، تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. به دلیل مشکلات اجرایی، اکثر این طرحها در عمل مورد استقبال قرار نگرفته است.
در این تحقیق شیوه جدیدی برای کنترل پرش هیدرولیکی و نیز افزایش میزان تلفات انرژی آن ارائه شده است. فرض اصلی آنست که یک جت آب سریع در برخورد با جریان پرش، امکان کنترل آن را به وجود آورده و میتواند بر میزان اتلاف انرژی موثر باشد. نتایج بدست آمده از یک مطالعه آزمایشگاهی در مورد برخورد یک جت آب سریع با پرش در کانال آزمایشگاهی نشان داد موقعیت پرش با افزایش دبی جت آزاد به سمت بالادست حرکت نموده و هرچه مقدار آن بیشتر باشد به محل دریچه نزدیکتر و میزان افت انرژی نیز افزایش مییابد.
-1 مقدمه
پرش هیدورلیکی نوعی جریان متغیر سریع در کانالهای روباز است که طی آن جریان در برخورد با یک مانع و برای رسیدن به تعادل دینامیکی جدید از حالت فوق بحرانی به زیربحرانی تغییر وضعیت داده و با افزایش سریع سطح آزاد آب، کاهش سرعت جریان و افت انرژی همراه است. پرش هیدرولیکی امکان استهلاک انرژی اضافی آب را در پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سرریزها، تندآبها و دریچهها فراهم میآورد. اعمال جت سریع در دبی و زاویه مشخص به جریان فوق بحرانی بالادست پرش هیدرولیکی، علاوه بر این که پرش هیدرولیکی را به سمت بالادست منتقل میکند، اتلاف انرژی در پرش را افزایش داده و به این ترتیب بر کاهش طول حوضچه آرامش موثر خواهد بود و این امر، بر اقتصادیتر شدن احداث حوضچه آرامش تاثیر میگذارد.
اولین مطالعات آزمایشگاهی بر روی پرش هیدرولیکی توسط بیدونه - 1820 - انجام پذیرفت. با توجه به این مطالعات، بلانژه - 1828 - بین شیب فوق بحرانی و شیب زیربحرانی تفاوت قائل شد. بنابراین او مشاهده کرد که در کانالهای شیبدار و در شرایط جریان یکنواخت، پرش هیدرولیکی به وسیله یک مانع در مسیر جریان، ایجاد میشود. سافرانز - 1929 - بر روی تعیین نمودن طول غلتان و همچنین طول پرش هیدرولیکی تحقیقاتی را انجام دادند.
راجاراتنام - 1965 - ساختار پرش هیدرولیکی را در مطالعاتش تحقیق کرد. راجاراتنام و سوبرامانیا - 1965 - بر روی تجزیه و تحلیل پروفیل سطح آب در پرش هیدرولیکی تحقیق کردند. گارج و شارما - - 1971 بر روی توزیع انرژی در پرش هیدرولیکی کار کردند. لوتوسه و کارتا - 1972 - توزیع سرعت متوسط در پرش هیدرولیکی را مورد مطالعه قرار دادند. مک کورکودال و خالیفا - 1983 - بر روی مدل نمودن پرش هیدرولیکی پژوهشهایی را انجام دادند. سوآمه و راتیه - 2004 - بر روی معادلات بین اعماق پی در پی مطالعه نمودند. لیو و همکاران - 2004 - مشخصات تلاطمی پرش هیدرولیکی را مورد مطالعه قرار دادند.
به نقل از وارول و همکاران . - 2009 - برخی اقدامات که جهت کنترل پرش هیدرولیکی از طریق تغییر هندسه حوضچه آرامش انجام شده است به شرح زیر میباشند. اسماعیلی و ابریشمی - 1376 - ، پرش هیدرولیکی را بر روی کفهای با شیب معکوس و پله مثبت در انتها، مورد تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی قرار دادند. ایشان چهار شیب معکوس و دو نوع پله مثبت با ارتفاع متفاوت را انتخاب کردند و نسبت اعماق مزدوج، طول پرش و افت انرژی نسبی به عدد فرود اولیه را در حالات مختلف تعیین و با مقادیر مربوط در حالات شیب افقی و یا شیب معکوس بدون پله، مقایسه کردند.
نژندعلی و همکاران - 1390 - ، اثر زبریهای عرضی مثلثی در کف حوضچه را بر روی مشخصههای پرش هیدرولیکی مورد بررسی آزمایشگاهی قرار دادند. ایشان آزمایشهای خورد در محدوده اعداد فرود 4 تا 13/7 انجام دادند. 3 ارتفاع زبری و چهار فاصله متفاوت بین زبریها را انتخاب کردند. نتایج مطالعه آنها نشان داد که عمق ثانویه و طول پرش هیدرولیکی در بستر زبر نسبت به بستر صاف به طور قابل ملاحظهای کاهش و افت انرژی افزایش مییابد و با افزایش عدد فرود، این روند شدیدتر میگردد.
بدیع زادگان و همکاران 1390 - - ، مطالعات آزمایشگاهی را بر روی حوضچههای آرامش با بستر سینوسی و تاثیر آن بر مشخصات پرش هیدرولیکی انجام دادند و نتیجه گرفتند که با بکارگیری بستر سینوسی در حوضچه آرامش، نسبت اعماق اولیه به ثانویه، به میزان %20 و همچنین طول پرش هیدرولیکی به میزان %35، کاهش پیدا میکند.
همچنین در بحث پرش هیدرولیکی و جت آبی نیز مطالعاتی انجام شده است. یوکسل و همکاران - 2004 - ، شباهت بین پیشانی یک موج شکسته و پرش هیدرولیکی را مورد مطالعه قرار دادند. موج مستقرق به وسیله یک پرش هیدرولیکی، تحت تماس جت سریع با یک زاویه مشخص به پنجه آن، شبیهسازی گردید. ایشان مطالعات عددی و آزمایشگاهی را برای تعیین مشخصات جریان و اتلاف انرژی انجام دادند و نتیجه گرفتند که جت سریع می-تواند باعث افزایش اتلاف انرژی در موج مستقرق شود.
کیت و داس 2006 - - ، با وارد نمودن جت سریع به صورت مایل و قائم به صفحاتی از مایع در حالت ساکن و متحرک، به بررسی پرش هیدرولیکی ناشی از آن پرداختند. آنها حالت ویژهای از پرش هیدرولیکی دایرهای و بیضی شکل را که به ترتیب در زمانی که صفحه مایع ثابت و جت سریع به صورت قائم، و همچنین زمانی که صفحه مایع ثابت و جت سریع به صورت مایل اعمال گردید را مشاهده کردند.
ایلخانی پور - - 1385، به وسیله یک مدل آزمایشگاهی، تاثیر برخورد جریان خروجی از روزنه را بر روی محل تشکیل پرش، طول پرش و ارتفاع آب بالای تاج سرریز، در دبیها و عمق پایابهای مختلف مورد مطالعه قرار داد. بون و همکاران - 2008 - دو پرش هیدرولیکی متقارن را به وسیله جریان جت سریع، از نازلی با مقطع مستطیلی و عمود بر کف کانال، ایجاد کردند. خروجی نازل در وسط کانال و در چند میلیمتری از کف آن قرار داشت.
آنها مطالعات خود را در کانالی با شیب صفر و سه عرض مختلف انجام دادند و پروفیل سطح آب را برای دو پرش ایجاد شده در دو طرف نازل و در دبیهای مختلف از جت سریع بدست آوردند. وارول و همکاران - 2009 - ، در مطالعات آزمایشگاهی خود، تاثیر جت سریع بر مشخصات پرش هیدرولیکی را تحقیق کردند. آزمایشات آنها بر روی یک فلوم با مقطع مستطیلی و طول پنج متر انجام شد و در آن، پنج دبی برای جت سریع فرض گردید که با زاویه ثابت 60 درجه، به پرش هیدرولیکی اعمال میشد. آنها نیز مشاهده نمودند که وارد نمودن جت سریع به پرش هیدرولیکی باعث می-شود که اتلاف انرژی افزایش یابد. همچنین آنها نتیجه گرفتند که با افزایش دبی جت سریع، مقدار اتلاف انرژی نیز افزایش مییابد.
در این آزمایش به بررسی تاثیر جت آبی سریع، بر مشخصات پرش هیدرولیکی پرداخته شده است. شش برای جت سریع در نظر گرفته شد. هفت پرش هیدرولیکی کلاسیک با اعداد فرود مختلف ایجاد و جت آزاد، در دبیهای مختلف، به جریان فوق بحرانی بالادست وارد گردید و مشخصات پرش هیدرولیکی را در هر دو حالت پرش هیدرولیکی کلاسیک و پرش هیدرولیکی به همراه جت آزاد اندازهگیری و مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 مواد و روشها
1-2 فلوم آزمایشگاهی
این آزمایش در فلومی به طول 5 متر، ارتفاع 17/5 و عرض 7/5 سانتیمتر انجام گرفت. شیب کانال قابل تنظیم و در این آزمایش برابر با 0/0025 در نظر گرفته شد. به منظور ایجاد و کنترل پرش هیدرولیکی، از دریچهای که در پاییندست فلوم قرار داشت، استفاده گردید - شکل-1الف - . به وسیله مخزن بالادست فلوم، هفت پرش هیدرولیکی کلاسیک با اعداد فرود 1/98، 2/18، 2/68، 2/85، 3/58، 3/73 و 4/76 ایجاد شد.
2-2 جت سریع
جت سریع به وسیله صفحاتی از جنس پلکسی و با مقطع مستطیلی ساخته و در بالادست فلوم و در زاویه 45 درجه نسبت به کف کانال نصب گردید - شکل-2ب - . با استفاده از یک میز هیدرولیکی، شش دبی به عنوان دبی جتهای سریع در نظر گرفته شد - جدول. - 1
-3 بحث و نتیجهگیری
1-3 جابجایی پرش هیدرولیکی تحت تاثیر جت سریع
همانطور که در شکل بالا مشاهده میشود، با افزایش دبی جت، پرش هیدرولیکی به سمت بالادست جابجا میشود. هر چه دبی جت سریع بیشتر باشد، به طبع، جابجایی پرش نیز بیشتر خواهد بود.
2-3 تغییرات میزان افت انرژی و عمق ثانویه پرش هیدرولیکی تحت تاثیر جت سریع
مقدار افت انرژی در پرش هیدرولیکی در مقاطع مستطیلی، تابعی از عمق اولیه و ثانویه پرش میباشد که از رابطه زیر محاسبه میگردد - 1 - با وارد نمودن جت سریع به پرش هیدرولیکی، افزایش پیدا کرده و در نتیجه، افت انرژی افزایش مییابد. هر چه دبی جت بیشتر باشد، مقدار افت انرژی نیز بیشتر خواهد بود - شکل. - 4 تغییرات مقدار بیبعد برای اعداد فرود و دبیهای مختلف جت، در شکل6 مشاهده میشود.
