تاکنون تحقیقات زیادی در مورد پرش هیدرولیکی روی حوضچه های با کف افقی و بعضا با شیب کم انجام گرفته است. مطالعات روی حوضچه های شیبدار (مثبت) نیز نسبتا قابل ملاحظه است. لیکن در مورد حوضچه های با شیب معکوس کار قابل توجهی انجام نشده است. این تحقیق در ادامه مطالعات مربوط به پرش روی شیبهای معکوس و پله مثبت، خصوصیات پرش روی شیبهای معکوس و پله منفی را مورد بررسی قرار می دهد. تحقیقات حاضر ضمن ارائه میزان تاثیر همزمان شیب معکوس و پله منفی در پرش هیدرولیکی نشان می دهد که پله های منفی نقش موثری در پایداری پرش داشته موجب افزایش نسبی طول پرش و همچنین عمق ثانویه پرش می شوند.

یکی از سازه های مستهلک کننده انرژی که در پایین دست سر ریزهای ریزشی، تندآبها یا دریچه های کشویی مورد استفاده قرار می گیرد، حوضچه های آرامش از نوع پرشی هیدرولیکی است. جهش آبی اثرات نامطلوبی بر کف حوضچه ایجاد می نماید بدین صورت که نوسانات شدید فشار به کف حوضچه باعث کوبیدگی یا ارتعاش آن می گردد. در طراحی سنتی دال کف، این فشارهای دینامیکی ناشی از جهش منظور نمی گردد. در حالیکه در مواردی وجود این فشارها باعث تخریب کف حوضچه گردیده است.هدف این تحقیق عبارت بوده است از طراحی دال کف (ضخامت) حوضچه آرامش به ظوری که بتواند بارهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی وارده را تحمل نماید.برای انجام این تحقیق مدل فیزیکی حوضچه آرامش ساخته شده و از فلومی به ابعاد 20 متر طول، 0.9 متر عرض و 1.2 متر ارتفاع در آزمایشگاه هیدرولیک مرکز تحقیقات آب وزارت نیرو استفاده گردید. با استفاده از این مجموعه فشارهای دینامیکی و استاتیکی برای 6 بده (30، 50، 70، 105، 130 و 170 لیتر در ثانیه) و اعداد فرود 5 تا 12 در شرایط تاثیر توامان جریان ناشی از پرش بر کف حوضچه و جریان ناشی از نفوذ آب به زیر کف حوضچه و همچنین کارگذاری دالهای پوشش کف در سه اندازه 14 × 30 × 10 و 5×30×30 و 4×30×60 سانتیمتر از جنس بتن، اندازه گیری گردید. سپس با تعیین متغیرهای موثر در پدیده پایداری دال کف و استفاده از روش آنالیز ابعادی، رابطه کلی استخراج گردید.در مجموع 108000 داده جمع آوری شد و از تجزیه و تحلیل آن نسبت های بی بعد نظیر S/y1 ، Cp-،C+p  برای کلیه آزمایشها محاسبه و با کاربرد نرم افزار آماری SPSS و بررسی معادلات مختلف، معادله نهایی برای تعیین ضخامت دال کف حوضچه که دارای برازش بالاتری بود انتخاب و پیشنهاد گردید.با استفاده از رابطه پیشنهادی که به علت استفاده از متغیرهای هیدرولیکی محدودتری نسبت به روابط قبلی، محاسبه ضخامت دال بدون انجام مدل فیزیکی میسر است کاهش هزینه ها و کوتاه کردن مدت زمان مطالعات امکان پذیر خواهد گردید.

در تحقیق حاضر، تاثیر غلظت بار رسوبی معلق بر مشخصات جهش هیدرولیکی مستغرق شامل نسبت استغراق، طول جریان غلطان، عمق استغراق روی دریچه، افت انرژی، توزیع سرعت و همچنین توزیع غلظت مورد بررسی قرار گرفته است. از یک فلوم آزمایشگاهی با عرض 0.2، ارتفاع 0.3 و طول 7 متر جهت انجام آزمایش ها استفاده گردید. برای ایجاد جریان رسوبی از ذرات با قطر متوسط 0.03 و 0.15 میلی متر و وزن مخصوص 2.6 در محدوده غلظت های 0.425 تا 16.15 درصد استفاده گردید. محدوده اعداد فرود در آزمایشات این تحقیق بین 1.93 تا 4.96 می باشد. نتایج آزمایشگاهی در محدوده این تحقیق نشان می دهد که با افزایش غلظت رسوبات معلق طول جریان غلطان کاهش یافته و عمق استغراق روی دریچه و افت انرژی جهش تغییر نمی کنند. حضور رسوبات معلق باعث افزایش اندازه حرکت بین ذرات آب و رسوب شده و باعث کاهش تلاطم در جریان شده و در نتیجه از سرعت جریان می کاهند. همچنین تلاطم ایجاد شده باعث می شود تا توزیع غلظت در انتهای جهش تقریبا عمودی باشد.

یکی از وسیله های موثر برای استهلاک انرژی پایین دست سازه های هیدرولیکی نظیر سرریزها، تندآبها و دریچه ها پرش هیدرولیکی می باشد. مطالعات زیادی در خصوص این پدیده بر روی بستر صاف انجام گرفته است. با این حال مطالعات اخیر نشان می دهد که مواج بودن بستر می تواند در استهلاک انرژی و کاهش هزینه های حوضچه های آرامش بنحو قابل توجهی موثر واقع شود. از این رو این تحقیق به مطالعه و انجام آزمایشهای پرشهای هیدرولیکی بر روی بسترهای مواج اختصاص دارد، تا نقش کاربردی آن را آشکارتر سازد. آزمایشات برای چهار نوع بستر با شکل موج مختلف نواری و با مقطع ذوزنقه ای با مقادیر t/y1 از 0.371 تا 1.733 و s/y1 از 0.971 تا 8.333 و اعداد فرود 4 تا 12 انجام گردید. نتایج این مطالعه نشان می دهد که عمق پایاب مورد نیاز جهت انجام پرش هیدرولیکی روی بسترهای مواج کوچکتر از عمق پایاب مربوط به پرش هیدرولیکی مشابه بر روی بسترهای صاف می باشد. همچنین طول پرش هیدرولیکی بر روی بستر مواج به حدود نصف تقلیل پیدا کرده است. نتایج نشان می دهد که تنش برشی بر روی این نوع بسترها نیز تقریبا 10 برابر تنش برشی بر روی کفهای صاف است. در این پژوهش پروفیل طولی سرعت در مقاطع مختلف پرش نیز اندازه گیری گردید و نشان می دهد که حداکثر سرعت (Um) در تمام مقاطع پرش به مقدار سرعت اولیه (U1) و فاصله از ابتدای پرش (x) بستگی دارد. مطالعات نشان می دهد که کفهای با زبری نواری ذوزنقه ای شکل جهت محل اندازه گیری استهلاک انرژی پایین دست سازه های هیدرولیکی موثر می باشند و می توانند به عنوان یکی از انواع حوضچه های آرامش مورد بررسی بیشتر قرار گیرند.

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

یکی از مهمترین پدیده های هیدرولیکی در جریان های متغیر سریع، پرش هیدرولیکی می باشد که در فاصله کوتاهی جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی تغییر می نماید. اکثر پژوهشگران در تحقیقات خود سعی بر این دارند با تغییر ساختگاه تشکیل پرش، شرایط را برای بیشترین میزان اتلاف انرژی فراهم آورند. این امر موجب کاهش نسبت عمق های مزدوج y2/y1 و طول پرش نسبت به پرش کلاسیک یا نوع A می شود. هدف از این پژوهش مطالعه پرش هیدرولیکی در حوضچه های آرامش با بستر سینوسی می باشد. در این پژوهش عمق موج t به طول موج s که با مقدار بدون بعد شیب موج t/s نشان داده می شود در محدوده 0.167 تا 0.75 و تغییرات عدد فرود اولیه بین4.6  تا 12.26 می باشد. نتایج نشان می دهد با به کارگیری بستر موج دار سینوسی در حوضچه آرامش، می توان شاهد کاهش، نسبت اعماق ثانویه به اولیه تقریبا به میزان 20 درصد در بیشترین مقدار خود در حدود عدد فرود 12 و کاهش طول پرش هیدرولیکی به میزان 35 درصد نسبت به پرش کلاسیک در این نوع از حوضچه ها بود.

پرش هیدرولیکی دارای کاربردهای فراوانی در انتقال و تصفیه آب و فاضلاب است. این پدیده از دیدگاه ماکروسکوپی، یک جریان متغیر ناگهانی است که با گرداب های قوی همراه است و نوسانات تلاطمی بزرگی را ایجاد می کند. اثر فشارهای نوسانی ناشی از تلاطم در پرش با اهمیت است و باید در طراحی سازه مورد توجه قرار گیرد. نوسانات فشار می تواند با فرسایش و لرزش موجب آسیب در حوضچه آرامش شود. در این پژوهش به مشخصات تلاطمی پرش هیدرولیکی مستغرق در پایین دست یک سرریز بلند و بررسی اثرات درجه استغراق پرش در میزان ضرایب نوسانات فشار پرداخته شد. به این منظور آزمایش ها در یک مجرای مستطیلی شامل سرریزی با زاویه 30 درجه و ارتفاع 1/8 متر و کانال افقی به عرض 0/3و طول 3 متر، برای عدد فرود 7/07 با درجات مختلف استغراق انجام شد. داده های فشار با استفاده از مبدل فشار با فرکانس نمونه برداری 100 هرتز ثبت شد. آزمایش ها نشان داد شدت نوسانات فشار در بستر پرش هیدرولیکی مستغرق تابعی از عدد فرود، فاصله نسبی از ابتدای حوضچه و درجه استغراق است. با افزایش درجه استغراق، ضرایب نوسانات فشار (، و) کاهش می یابد به طوری که با افزایش درجه استغراق از 1 تا 2، حداکثر ضریب انحراف معیار 89 درصد کاهش یافت. همچنین حداکثر ضرایب و در کف حوضچه آرامش در فاصله کمتر از 20 برابر عمق اولیه پرش (X/Y1£ 20 ) از محل شروع حوضچه رخ داد. بنابراین فاصله مذکور به لحاظ طراحی سازه ای حوضچه حساسیت بیشتری دارد و درجه استغراق بیشتر در جهت اطمینان طراحی است.

از جمله سازه های مستهلک کننده انرژی که در پایین دست سازه های هیدرولیکی همچون سرریزها، دریچه ها و تنداب ها احداث می شوند، حوضچه های آرامش هستند. در این پژوهش به بررسی اثر انتقال مومنتم ناشی از برخورد جت آزاد سریع با دبی ها و زوایای مختلف بر مشخصات پرش هیدرولیکی پرداخته می شود. نتایج به دست آمده از آزمایش های انجام شده نشان می دهد که بر اثر وارد شدن جت سریع به جریان فوق بحرانی، پرش هیدرولیکی به سمت بالادست حرکت می کند و با افزایش دبی خروجی از جت مقدار این جابجایی افزایش می یابد. در همین زمینه، اندازه گیری های انجام شده، نشان از افزایش مقدار افت انرژی در اثر برخورد جت به بدنه پرش دارد. زاویه برخورد نیز به دلیل تغییر خصوصیات جریان تأثیرگذار است که در برخی حالات این تغییرات تا 20 درصد حالات مشابه مشاهده شده است. در این پژوهش بررسی آنالیز حساسیت روی پارامترهای عدد فرود جریان در کانال اصلی، زاویه و دبی جت آب انجام شد که نشان دهنده میزان تأثیرپذیری و حساسیت تغییرات افت انرژی نسبت به هر پارامتر است. بیشترین میزان تأثیر در افت انرژی را تغییرات عدد فرود (تأثیر نیروی ثقل در کانال اصلی) و کمترین تأثیر را تغییر زاویه پرتاب جت آب دارد.

پرش هیدرولیکی تغییر ناگهانی جریان از حالت فوق بحرانی به زیربحرانی است که این پدیده هیدرولیکی به-صورت متلاطم و همراه با محدوده وسیعی از گرداب های با مقیاس بزرگ و کوچک می باشد. اتلاف انرژی در پرش هیدرولیکی همواره همراه با نوسانات بزرگ فشار با فرکانس کم است کهمی تواندباعثایجاد خسارت و فرسایش شده وامنیت سازهرابهخطراندازد. در تحقیق حاضر تأثیر اجزای زبر غیرممتد لوزی شکل با زبری نسبی ( ) 67/0 و 33/1 بر نوسانات فشار در پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج به دست آمده با افزایش عدد فرود نوسانات فشار افزایش می یابد که ناشی از افزایش شدت تلاطم در پرش هیدرولیکی می باشد. در بستر زبر در فاصله طولی نوسانات فشار بیشتر و به سمت پایین دست پرش نوسانات فشار در مقایسه با پرش هیدرولیکی بر روی بستر صاف به طور متوسط در حدود 80 درصد کاهش می یابد. تغییرات فشار متوسط در پرش هیدرولیکی بر روی بستر زبر در طول نسبی تقریباً ثابت می گردد. در تحقیق حاضر، مقادیر حداکثر و 178/0 و 134/0 به دست آمد.

تاکنون مطالعات زیادی در زمینه پرش هیدرولیکی ایستا در جریان ماندگار انجام شده است. اما هنگامی که شرایط مرزی جریان بر حسب زمان تغییر می کنند، تغییر رژیم جریان غیرماندگار، پرش متحرک را بوجود می آورد. غیرماندگاری و تغییر رژیم در این جریان باعث می شود که مطالعه آن با مشکلاتی روبرو باشد و شاید از این روست که تحقیقات آزمایشگاهی در خورتوجهی در مورد آن توجه ندارد. یکی از پارامترهای قابل تامل در پرش هیدرولیکی عدد فرود است که بدلیل در برداشتن ویژگی های جریان و تشخیص رژیم آن از اهمیت برخوردار است و می تواند تصویر گویایی از رفتار پرش متحرک را نشان داده و درک فیزیکی بهتری از تفاوت آن با پرش ایستا ارایه دهد. در این مقاله برداشت های یک مجموعه آزمایشگاهی که پرش متحرک با شرایط مرزی متغیر را تولید و مشخصات هیدرولیکی آن را ثبت کرده، بررسی شده است. نتایج در قالب عدد بی بعد فرود در مقطع فوق بحرانی پرش و برای شیب های مختلف طولی ارایه شده است. همچنین ارتباط این عدد با پارامترهای بی بعد دیگر و شرایط مرزی جریان مشخص شده است. در این راستا ضریب تاثیر عدد فرود در محاسبات اعماق مزدوج نیز بررسی و معادله اصلاحی برای آن ارایه شده است. روابط ارایه شده در نتایج این تحقیق برخلاف ماهیت جریان غیرماندگار، مستقل از زمان هستند و این موضوع کاربرد آنها را درهر بازه زمانی از جریان هموار می سازد.