بررسی آزمایشگاهی طرح سازه بیم های متقاطع در کنترل پرش نامتقارن نوع S مقاطع واگرای ناگهانی

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 Ph.D. Student, Dept. of Hydraulic Structures, College of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.

2 عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز گروه سازه های آبی

3 گروه سازه های آبی، دانشکده علوم آب، دانشگاه شهید چمران، اهواز، ایران

4 Assistant Professor, Dept. of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Univ. of L'Aquila, Via G. Gronchi, L'Aquila, Italy.

5 دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

انبساط مقطع می تواند راه حل مناسبی برای افزایش کار حوضچه های آرامش باشد. با این حال، در برخی از شرایط اجرایی، پدیده نامطلوب ناپایداری جریان می تواند منجر به جریان نامتقارن و تمرکز سرعت موضعی بیشتر در آبراهه (کانال) پایاب شود. این مقاله نتیجه انجام یک تحقیق تجربی با استفاده از چند سری تیرهای متقاطع، آزمایش شده در ترکیب بندی های هندسی و شرایط هیدرولیکی مختلف می باشد. در آغاز، اثربخشی این سامانه از نظر یکنواختی جریان و سرعت در بستر آبراهه تجزیه و تحلیل شد. کار سامانه، در شرایط پایاب با توصیف الگوهای جریان سه بعدی، با کاهش تدریجی سطح آب پایین دست  به 70%، 80% و 90% عمق پایاب در شرایط مرجع آزمایش شد. اندازه گیری سرعت های سه بعدی برای تعیین فراسنجه های یکنواختی جریان، ضریب های مومنتم و انرژی، تجزیه و تحلیل توزیع سرعت های سه بعدی،  انرژی جنبشی آشفتگی، بررسی های تکمیلی توسعه تمرکز خطوط هم تنش و افت انرژی پرش در شرایط آزمایش های مرجع و ترکیب بندی های بهینه، بررسی شد. نتایج نشان داد که افزون بر روند کیفی همانند β و α، که ضریب های تصحیح انرژی جنبشی و مومنتم به عنوان فراسنجه های اساسی بررسی یکنواختی جریان می باشند، همچنین مشاهده شد که سازه هدررفت انرژی در همگن سازی موثر جریان، حتی در شرایط سطح آب پایین دست متغیر نیز دارای عملکرد مطلوبی است. در جریان آشفته پس از سازه، برای فرود 5/9 و سه ترکیب بندی بهینه ، نوسان های سرعت در راستای افقی، عرضی و عمقی محاسبه شد و تغییرپذیرهای انرژی جنبشی آشفتگی (TKE) در برابر Z/Yt نشان داده شد و مشخص شد، تمرکز بیشترین میزان TKE درحالت پایاب hs9/0 قرار دارد. در بررسی خطوط تمرکز، میزان های
 6/0~3/0≡ TKE  درحدود 48/14 درصد بزرگی میزان های انرژی جنبشی آشفتگی جریان را دارا می باشند. در نهایت تحلیل افت انرژی نسبی پرش با استفاده از بیم های متقاطع نشان داد که بیشترین افت انرژی در ترکیب بندی 3 و در مقایسه با شرایط مرجع که روند افزایشی افت انرژی نسبی در آن تا فاصله 2 متری با شیب 41/11 ادامه دارد، به طور میانگین به میزان 78/44 درصد افزایش افت انژی نسبی را موجب می شود. لذا این سازه هدررفت انرژی با وجود انبساط مقطع و در عین پرهیز از گذاری های زیانبار آن توصیه می شود. 

کلیدواژه‌ها

مراجع

Alhamid, A.A. (2004). S-jump characteristics on                                        sloping basins. J. Hydraul. Res., 42(6), 657–662. https://doi.org/10.1080/00221686.2004.9628319.
Banerjee, A.K. (1968). Influence of kinetic friction on the critical velocity of stick-slip motion. Wear, 12(2), 107-116.
Blevins, R.D. (1984). Applied fluid dynamics handbook, Van Nostrand Reinhold Co., 558 p.
Bremen, R. and Hager, W.H. (1993). T-jump in abruptly expanding channel. J. Hydraul. Res., 31 (1), 61–78. https://doi.org/10.1080/002216893094988 60.
Bremen, R. and Hager, W.H. (1994). Expanding stilling basin. Proc. ICE Water Marit. Energy, 106(3), 215–228.
Chanson, H. and Gualtieri, C. (2008). Similitude and scale effects of air entrainment in hydraulic jumps. J. Hydraul. Res., 46(1), 35–44. https://doi.org/10.1080 /00221686.2008.9521841.
Chow, V.T. (1959). Open channel hydraulics. New York: McGraw-Hill.
Elsayed, H., Helal, E., El-Enany, M. and Sobeih, M. (2021). Impacts of multi-gate regulator operation schemes on local scour downstream. ISH J. Hydraul. Eng. 27(1), 51–64. https://doi.org/10. 1080 /09715 010.2018.1511386.
Ferreri, G.B., and Nasello, C. (2002). Hydraulic jumps at drop and abrupt enlargement in rectangular channel. J. Hydraul. Res., 40 (4), 491–505. https://doi.org/10.1080/00221680209499891.
Habibzadeh, A., Loewen, M.R. and Rajaratnam, N. (2016). Turbulence measurements in submerged hydraulic jumps with baffle blocks. Canadian Journal of Civil Engineering, 43(6), 553-561.
Hager, W.H. (1992). Energy dissipators and hydraulic jump. Dordrecht, Netherlands: Kluwer.
Hager, W.H. and Li, D. (1992). Sill-controlled energy dissipater. J. Hydraul.Res., 30 (2), 165–181. https://doi.org/10.1080/00221689209498932.
Hajialigol, S., Ahadiyan, J., Sajjadi, M., Rita Scorzini, A., Di Bacco, M. and Shafai Bejestan, M. (2021). Cross-Beam Dissipators in Abruptly Expanding Channels: Experimental Analysis of Flow Patterns. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 147(11), 06021012.
Hamidifar, H., Omid, M.H. and Keshavarzi, A. (2016). Kinetic energy and momentum correction coefficients in straight compound channels with vegetated floodplain. Journal of hydrology, 537, 10-17.
Hassanpour, N., Hosseinzadeh Dalir, A., Farsadizadeh, D. and Gualtieri, C. (2017). An experimental study of hydraulic jump in a gradually expanding rectangular stilling basin with roughened bed. Water, 9(12), 945. https://doi.org/10.3390/ w9120945.
Herbrand, K. (1973). The spatial hydraulic jump. J. Hydraul. Res., 11(3), 205–218. https://doi.org/10. 1080/  00221687309499774.
Keshavarzi, A. and Hamidifar, H. (2018). Kinetic energy and momentum correction coefficients in compound open channels. Nat. Hazards, 92(3), 1859–1869. https://doi.org/10.1007/s11069-018-3285-0.
Kordi, E., and Abustan, I. (2012). Transitional expanding hydraulic jump. J. Hydraul. Eng., 138(1), 105–110. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000479.
Lamont, J.C. and Scott., D.S. (1970). An eddy cell model of mass transfer into the surface of a turbulent liquid.  AIChE Journal, 16(4), 513-519.
Lin, C., Hsieh, S.-C., Lin, I-J. (2012). Flow property and self-similarity in steady hydraulic jumps. Exp Fluids, 53, 1591–1616. https://doi.org/10.1007/ s00348-012-1377-2.
Liu, M., Zhu, D.Z. and Rajaratnam, N. (2002). Evaluation of ADV measurements in bubbly two-phase flows. Hydraulic Measurements and Experimental Methods.  In: Paper Presented at the Hydraulic Measurement and Experiment Methods 2002, Proceedings of the Specialty Conference July (2002).
Mignot, E. and Cienfuegos, R. (2011). Spatial evolution of turbulence characteristics in weak hydraulic jumps. Journal of Hydraulic Research, 49(2), 222-230.
https://doi.org/10.1080/00221686.2011.554208.
Neisi, K. and Shafai Bejestan, M. (2013). Characteristics of S-jump on roughened bed stilling basin. J. Water Sci. Res., 5(2), 25–34.
Noseda, G. (1964). Un fenomeno di instabilità del risalto lungo una corrente veloce in espansione. [An instability phenomenon of hydraulic jump in enlarging supercritical flow], L’Energia Elettrica, 41(4), 249–254. (In Italian)
Ohtsu, I., Yasuda, Y. and Ishikawa, M. (1999). Submerged hydraulic jumps below abrupt expansions. J. Hydraul. Div., 125(5), 492–499. https:// doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999) 125:5(492).
Omid, M.H., Esmaeeli Varaki, M. and Narayanan, R.  (2007). Gradually expanding hydraulic jump in a trapezoidal channel. Journal of Hydraulic Research, 45(4), 512-518.
Pagliara, S. and Palermo, M. (2012). Effect of stilling basin geometry on the dissipative process in the presence of block ramps. J. Irrig. Drain. Eng., 138 (11), 1027–1031.  https://doi.org/10.1061/ (ASCE) IR.1943-4774.0000505.
Rajaratnam, N. and Subramanya, K. (1968). Hydraulic jumps below abrupt symmetrical expansions. J. Hydraul. Div., 94 (2), 481–504. https://doi .org/10.1061/JYCEAJ.0001780.
Rodi, W. (2017). Turbulence models and their application in hydraulics: A state-of-the-art review, Routledge.
Rouse, H., Siao T.T., Nagaratnam, S. (1958). Turbulence Characteristics of the Hydraulic Jump. Journal of the Hydraulics Division. ASCE 84(1), 1-30, https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0000161.
Scorzini, A.R., Di Bacco, M. and Leopardi, M. (2016). Experimental investigation on a system of crossbeams as energy dissipator in abruptly expanding channels. J. Hydraul. Eng., 142(2), 06015018.https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001088.
Torkamanzad, N., Hosseinzadeh Dalir, A., Salmasi, F. and Abbaspour, A. (2019). Hydraulic jump below abrupt asymmetric expanding stilling basin on rough bed. Water, 11(9), 1756. https://doi.org/ 10.3390/ w11091756.
Vaghefi, M., Akbari, M. and Fiouz, A.R. (2016). An experimental study of mean and turbulent flow in a 180-degree sharp open channel bend: Secondary flow and bed shear stress. KSCE Journal of Civil Engineering, 20(4), 1582-1593.
Veeramony, J. and Svendsen, I.A. (2000). The flow in surf-zone waves. Coastal Engineering, 39(2–4), 93-122. https://doi.org/10.1016/ S0378-3839(99)00058-7.
Zare, H.K. and Doering, J.C. (2011). Forced hydraulic jump below abrupt expansions. J. Hydraul. Eng., 137(8), 825–835. https://doi.org/10.1061/ (ASCE) HY.1943-7900.0000369.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 22 اسفند 1400
  • تاریخ بازنگری: 30 خرداد 1401
  • تاریخ پذیرش: 12 آبان 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار