پژوهش حاضر به بررسی ضریب دبی و افت انرژی جریان عبوری از سرریز-دریچه نیم استوانه ای متمرکز شده است. آزمایش ها در یک کانال آزمایشگاهی مستطیلی به طول 8، عرض 282/0 و عمق 3/0 متر بر بستر صاف در آزمایشگاه پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، با استفاده از مدل های فیزیکی با قطرهای 70، 120 و 160 میلی متر در ارتفاع بازشدگی های مختلف بین صفر تا شعاع سازه و در دبی های متفاوت انجام شده اند. نسبت ارتفاع سازه به عرض کانال محدوده 57/0 > D/B > 25/0 را پوشش داده است و جریان ورودی محدوده 55/0 > F_r > 012/0 را در برگرفته است. نتایج پژوهش نشان می دهند در تمام زوایای قرارگیری سازه ضریب دبی و پارامتر بی بعد H_f/H (نسبت افت انرژی به عمق آب بالادست) در هر دو حالت انحنا رو به بالادست و انحنا رو به پایین دست به ترتیب با افزایش پارامتر بی بعد H/P (نسبت عمق بالادست به تصویر سازه) افزایش و کاهش می یابند. در یک H/P ثابت، پارامتر بی بعد H_f/H و ضریب دبی در حالتی که انحنا سرریز-دریچه نیم استوانه ای به سمت بالادست می باشد به علت جمع شدگی تدریجی خطوط جریان، ضریب دبی بیشتر و افت ورودی کمتری نسبت به حالتی که انحنا سرریز-دریچه نیم استوانه ای به سمت پایین دست است، دارا می باشند.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

سرریزهای استوانه ای یکی از انواع سرریزهای لبه پهن بوده، که دارای مزایایی چون الگوی پایدار جریان و سهولت عبور مواد شناور، سادگی طراحی و ساخت می باشند. تاکنون بررسی هایی روی هیدرولیک سرریزهای استوانه ای در حالت بدون زبری توسط محققین انجام شده است. و با توجه به اینکه زبری سطح بدنه سرریز با تأثیر بر لایه مرزی و محل جدایش جریان می تواند روی مقدار و ناحیه شکل گیری فشار منفی، درنتیجه بر هیدرولیک جریان تأثیرگذار باشد لذا در این تحقیق تأثیر ارتفاع زبری بدنه سرریز استوانه ای در ترکیبات مختلف قطر و دبی ورودی روی ضریب دبی، افت انرژی و زاویه تشکیل عمق بحرانی به صورت آزمایشگاهی بررسی و پس از تحلیل اثر قطر سرریز و دبی ورودی روی پارامترهای فوق، حاصل تحقیق با نتایج سایر پژوهشگران مقایسه شده است. گروه سرریزهای مورداستفاده متشکل از سه استوانه کامل به قطرهای 100، 150 و 200 میلی متر بود که برای هر قطر چهار حالت زبری پی وی سی، 5/1، 3 و 5/4 میلی متر مورد آزمون قرار گرفت. مقایسه نتایج نشان داد با بیشتر شدن ارتفاع زبری، ضریب دبی کاهش و افت انرژی افزایش یافته و محل تشکیل عمق بحرانی به سمت تاج متمایل می گردد. بطوریکه استفاده از زبری متوسط 5/4 میلی متر در مقایسه با زبری پی وی سی منجر به کاهش 7/10 درصدی ضریب دبی و افزایش 3/22 درصدی افت انرژی به صورت میانگین می شود. بعلاوه زاویه محل تشکیل عمق بحرانی به طور متوسط حدود 8/78 درصد به تاج نزدیک تر شده است. تأثیر زبری روی ضریب دبی در قطرهای کمتر سرریز بیشتر بوده درحالی که تأثیر زبری بر افت انرژی نامتاثر از قطر استوانه است. ضریب دبی و افت انرژی با بیشتر شدن قطر سازه کاهش می یابند و با بیشتر شدن دبی، ضریب دبی افزایش و افت انرژی کاهش می یابد و فاصله محل تشکیل عمق بحرانی از تاج بیشتر می شود. همچنین همخوانی خوبی بین نتایج مربوط به نسبت بدون بعد عمق روی تاج به عمق بحرانی (Hcrest/Hc)، با نتایج تحقیق چانسون و مونتس که در حالت بدون زبری انجام شد وجود داشت.

سازه ترکیبی سرریز - دریچه دارای برتری هایی نسبت به استفاده جداگانه از سازه ها، از جمله عبور هم زمان مواد شناور (چوب، یخ و ...) و رسوبات است. یکی از انواع مدل های ترکیبی، سازه ترکیبی استوانه ای است که دارای ویژگی هایی از جمله اقتصادی بودن، طراحی آسان، سهولت ساخت، ضریب دبی بالا و ... می باشد. در این مقاله به بررسی آزمایشگاهی تاثیر پارامترهای هیدرولیکی و هندسی بر ضریب دبی مدل ترکیبی سرریز - دریچه استوانه ای و نیم استوانه ای (در دو حالت انحنا در سمت بالادست و انحنا در پایین دست سازه) پرداخته شده است. آزمایش ها در فلومی به طول 6 متر و عرض 75 میلی متر و با استفاده از لوله های استوانه ای و نیم استوانه ای با قطرهای 40، 50، 60، 70 و 85 میلی متر انجام شده است. نتایج نشان داد که در هر سه حالت با افزایش مقادیر بی بعد نسبت عمق بالادست جریان به میزان بازشدگی دریچه (H/a) و نسبت عمق بالادست جریان به قطر استوانه (H/D) ضریب دبی افزایش می یابد. همچنین محقق شد که در یک (H/D) ثابت، ضریب دبی استوانه کامل تقریبا برابر با ضریب دبی نیم استوانه با انحنا در بالادست و حدود 12 درصد بیشتر از ضریب دبی نیم استوانه با انحنا در پایین دست است و برای هر سه حالت در محدوده آزمایش ها ضریب دبی بین 96-38 درصد متغیر است.

یکی از سازه هایی که در نهرها می تواند جایگزین سرریز و دریچه شود، سازه ترکیبی سرریز - دریچه می باشد. سرریز - دریچه نیم استوانه ای، به دلیل انحنای سطح سرریز، و در نتیجه آن چسبیدن تیغه جریان به بدنه سازه، دارای ضریب بده بیشتری نسبت به سرریز - دریچه لبه تیز است. در سازه سرریز - دریچه، نسبت بده عبوری از سرریز و دریچه بستگی به موقعیت سازه دارد. در این مطالعه، هیدرولیک جریان عبوری از نمونه فیزیکی سرریز - دریچه نیم استوانه ای، که پیرامون محوری خارج از مرکز نیم استوانه چرخیده، بطوری که ارتفاع بازشدگی دریچه ثابت باقی مانده، بررسی شده است. آزمایشها در نهری با مقطع مستطیلی و افقی به طول 5 متر، عرض 75 میلی متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری انجام گشته است. از لوله های PVC با پنج قطر 40، 50، 60، 70 و 85 میلی متر جهت ساختن نمونه های فیزیکی سازه ترکیبی سرریز - دریچه نیم استوانه ای بهره وری گردیده است. نتایج تحقیق حاضر حاکی از این می باشند که بیشترین و کمترین ضریب بده به ترتیب در زوایای 330 و 90 درجه، و بیشترین و کمترین میزان افت کارمایه به ترتیب در زوایای 90 و 180 درجه رخ می دهند. همچنین، نتایج نشان دادند که علاوه بر زاویه قرارگیری انحنای نیم استوانه نسبت به افق، قطر سازه نیز بر ضریب بده و میزان افت کارمایه عبوری از سازه ترکیبی نیم استوانه ای موثر می باشد، به علاوه، برازشی تجربی جهت برآورد بده عبوری ارائه شده است.

یکی از انواع مدل های سازه ترکیبی، سرریز- دریچه استوانه ای است که دارای ویژگی هایی ازجمله هزینه کم، طراحی آسان، راحتی ساخت و ضریب دبی بالا است. در این مطالعه به بررسی آزمایشگاهی موقعیت قرارگیری سازه استوانه ای در راستای عمود بر جهت جریان بر روی ضریب دبی عبوری از سازه پرداخته شده است. آزمایش ها در فلومی به طول 7.5 متر و عرض 40 سانتی متر و با استفاده از مدل های استوانه ای از جنس لوله پلاستیکی با قطرهای 50، 75، 110 و 125 میلی متر انجام شده است. طراحی آزمایش ها با میزان بازشدگی های مختلف از صفر تا 60 میلی متر (رسیدن به دریچه استوانه ای با توجه به قطر و دبی موجود) صورت گرفته است. نتایج حاکی از آن است که بیش ترین و کم ترین ضریب دبی به ترتیب در سازه های سرریز استوانه ای و دریچه استوانه ای مشاهده شده است. همچنین با تبدیل سازه از سرریز- دریچه استوانه ای به دریچه استوانه ای کاهش سریعی در مقادیر پارامترهای بدون بعد نسبت عمق آب بالادست به قطر سازه (yup/D) و نسبت تفاضل عمق آب بالادست و پایین دست به قطر سازه ((yup-yd)/D) حاصل شده است، که این روند ناشی از کاهش میزان پس زدگی آب و کاهش چشمگیر yup می باشد. همچنین افزایش قطر سازه موجب کاهش ضریب دبی شده که در این رابطه برازش های تجربی برای به کمیت درآوردن رفتار ضریب دبی ارائه شده است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

سرریزهای استوانه ای و سرریزهای تاج دایره ای به دلیل اقتصادی بودن و سهولت ساحت در مقایسه با سایر سرریزها می توانند برای اندازه گیری شدت جریان، ساختمان های تخلیه جریان آب و کنترل سطح آب در کانال ها و مخازن مورد استفاده قرار گیرند. در این مطالعه، خصوصیات هیدرولیکی سرریزهای استوانه ای و تاج دایره ای مانند ضریب دبی، عمق روی تاج و افت انرژی در 18 مدل آزمایشگاهی که در 5 گروه طبقه بندی شده اند، بررسی گردید. نتایج آزمایش ها نشان داد که در سرریزهای استوانه ای و نیم استوانه ای با افزایش بار کلی نسبی آب، ضریب دبی افزایش یافته و تغییرات شیب دیواره بالادست روی ضریب دبی بدون تاثیر است. همچنین افت نسبی انرژی در سرریزهای استوانه ای بیشتر از سرریزهای نیم استوانه ای بوده و افزایش شیب پایین دست موجب افزایش افت نسبی انرژی می گردد. عمق نسبی جریان روی تاج در سرریزهای استوانه ای و نیم استوانه ای برابر 0.7 بوده و افزایش شیب بالا دست، عمق نسبی جریان روی تاج را در مقادیر بزرگتر از 0.6 به مقدار کم افزایش داده و تغییرات شیب پایین دست بر عمق نسبی جریان روی تاج بدون تاثیر است.

سرریز و دریچه از پرکاربردترین سازه های اندازه گیری جریان و واپایش سطح آب در شبکه های انتقال آب به شمار می روند، که با ترکیب آنها به عنوان یک سازه، با توجه به عبور مواد شناور از روی سرریز و مواد قابل رسوب از زیر دریچه، مشکلات استفاده جداگانه هریک از سازه ها کاهش می یابد. در این تحقیق به بررسی آزمایشگاهی تغییرات ضریب بده سرریز-دریچه استوانه ای با فراسنجهای بی بعد H/D (نسبت عمق بالادست جریان به قطر سازه) و H/a (نسبت عمق بالادست جریان به بازشدگی دریچه ) درنهری با طول، عرض و ارتفاع به ترتیب 10، 0.6 و 0.7 متر پرداخته شده است. همچنین، روند تغییرات ضریب بده سرریز و دریچه با اندازه گیری نیمرخ سرعت در زیر و روی سازه استخراج، و با نتایج ضریب بده در شبیه ترکیبی سرریز-دریچه استوانه ای مقایسه شده است. نتایج حاصله نشان دادند که با افزایش فراسنجهای بی بعد H/a و H/D ضریب بده سرریز- دریچه ی ابتدا کاهش یافته و سپس افزایش می یابد. روند ضریب بده ی دریچه ی در شبیه ترکیبی، کاهشی و برای سرریز ابتدا افزایشی و سپس به سمت ثابت شدن میل می نماید. همچنین، قطر سازه و بازشدگی دریچه برای ضریب بده ی هر سه سازه سرریز، دریچه و سرریز- دریچه در شبیه ترکیبی موثر می باشند، و ضریب بده ی سرریز-دریچه استوانه ای در محدوده آزمایشها از 0.75- 1.05 متغیر است. در نهایت با تحلیل داده ها معادله ای جهت تخمین ضریب بده ی سرریز- دریچه ارائه گردید که دارای همبستگی بالایی می باشد.

سازه ترکیبی سرریز-دریچه به دلیل قابلیت عبور هم زمان مواد معلق از روی سرریز و مواد ته نشین شده در جریان آب از قسمت دریچه، در مقایسه با سازه های دیگری که برای اندازه گیری دبی در کانال ها به کار برده می شوند، شرایط بهتری ایجاد می کند. در این تحقیق با بهره گیری از علم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و تحلیل عددی با استفاده از نرم افزار FLOW-3D جریان عبوری برای قطرهای مختلف سرریز-دریچه استوانه ای بررسی شد. شبیه سازی جریان در کانالی به طول 3، عرض 4/0 و ارتفاع 5/0 متر انجام گرفت. مدل ها برای قطرهای استوانه ای 5، 5/7، 10 و 5/12 سانتی متر و برای سه بازشدگی دریچه 1، 2 و 3 سانتی متر و جریان در 4 دبی 12، 16، 20 و 22 لیتر بر ثانیه مورد مطالعه قرار گرفتند. از مقایسه نتایج ضریب دبی نسبت به پارامتر بدون بعد نسبت عمق آب در بالادست به عمق آب در پایین دست مدل ترکیبی سرریز-دریچه مشاهده شد که نتایج عددی به دست آمده با به کارگیری مدل آشفتگی RNG داده های نزدیک تری به نتایج آزمایشگاهی ارایه می دهند. در مرحله صحت سنجی نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی تحقیقات گذشته، درصد خطای مدل شبیه سازی شده کمتر از 5 درصد محاسبه شد که بیانگر دقت قابل قبول مدل سازی عددی است. نتایج بررسی ها نشان داد با افزایش دبی، در قطر و بازشدگی دریچه ثابت، ضریب دبی افزایش می یابد. در یک قطر ثابت از مدل سرریز-دریچه، به ازای افزایش بازشدگی دریچه، ضریب دبی کاهش می یابد. به ازای یک دبی و قطر ثابت، با افزایش ارتفاع بازشدگی دریچه، تغییرات ضریب دبی روند کاهشی دارد. هم چنین مشاهده شد انحنای پروفیل سطح جریان با افزایش قطر مدل استوانه ای بیشتر می شود.