پایان نامه بررسی آزمایشگاهی تاثیر عرض و ارتفاع زبری های ممتد مثلثی شکل بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه های آرامش افقی

چکیده

پرش هیدرولیکی از جمله پدیده های هیدرولیکی شگفت آوری است که موجب استهلاک انرژی جنبشی آب می گردد سازه های هیدرولیکی نظیر حوضچه های آرامش عمدتاً به منظور استهلاک انرژی در پائین دست سرریزها، تندآب­ها و دریچه­ها از این خاصیت مهم پرش هیدرولیکی استفاده می‌نمایند. ابعاد این سازه­ها بستگی مستقیم به مشخصات پرش هیدرولیکی دارد از این رو برای اقتصادی کردن این سازه­ها، از دیرباز مطالعات گسترده ای به منظور مطالعه مشخصات پرش هیدرولیکی و چگونگی کنترل آن و یا به حداقل رساندن ابعاد آن صورت گرفته است. از جمله در سال‌های اخیر مشخص گردیده است که زبری ممتد حوضچه­های آرامش می تواند در کاهش ابعاد پرش مؤثر باشد با چنین فرضیه­ای تحقیق حاضر انجام گرفته است تا با انجام آزمایش­های آزمایشگاهی بتوان میزان و نحوه تأثیر آن را مشخص نمود. با این هدف از آزمایش­های متعددی     (90 آزمایش) برای اعداد فرود ورودی در محدوده 19/5 تا 5/12 در فلوم به عرض 35 سانتی­متر انجام گرفت. در این آزمایش­ها زبری­های مثلثی شکل با سه ارتفاع (2، 4و 6) و سه عرض متفاوت            (4 ،8، 12) سانتیمتر و ترکیب آن­ها در کف فلوم به طوریکه سطح بالایی زبری­ها با سطح پنجه سرریز  در یک تراز واقع شوند نصب و مورد آزمایش قرار گرفت و پارامترهایی چون، دبی جریان، عمق اولیه، عمق ثانویه، طول غلتاب، طول پرش ،پروفیل سطح آب با دقت اندازه گیری  شد تجزیه و  تحلیل داده ها نشان دادند که زبری ها باعث کاهش طول پرش به اندازه متوسط 50 درصد و کاهش عمق ثانویه پرش به میزان حدود 20 درصد نسبت به حالت کلاسیک می شوند. علت این کاهش را می توان افزایش  میزان آشفتگی جریان در بین زبری­ها دانست که باعث افزایش تنش برشی به میزان حدود 13 برابرمی شود.

فصل اول

کلیات

در طراحی سیستم‌ های هیدرولیک سرعت جریان نباید بیش از حد قابل قبولی باشد. زیاد بودن سرعت آب در یک کانال خاکی و یا در رودخانه طبیعی فر سایش بستر و جداره‌ی کانال را به همراه داشته که ممکن است باعث خسارات جبران ناپذیری به تأسیسات مجاور رودخانه گردد معذلک در بسیاری مواقع به دلایل مختلفی از قبیل شیب زیادکف کانال خاکی و یا اختلاف زیاد انرژی بین دو مقطع و یا سقوط آزاد آب، با انرژی جنبشی بیش از حد آب مواجه می‌شویم که ناچاراً می‌باید سازه‌هایی را طراحی کنیم تا انرژی جنبشی اضافی مستهلک و سرعت جریان را به حداقل قابل قبولی کاهش دهد.

در پایین دست سر ریز سدهای به دلیل اختلاف ارتفاع زیاد، سرعت جریان و نهایتاٌ انرژی جنبشی، بشدت افزایش می‌یابد که عدم کاهش این انرژی باعث فرسایش کف و ایجاد گودال در پایین دست سد خواهد شد که در دراز مدت باعث واژگونی سد می‌شود  پس باید به نوعی این سرعت زیاد (انرژی جنبشی زیاد ) را در سیستم‌های هیدرولیکی از بین ببریم.

سازه‌ هایی که باعث کاهش انرژی جریان و پائین آوردن سرعت به حداقل قبولی می‌شوند، سازه‌های مستهلک کننده انرژی(Energy Dissipatorstrueture) می‌گویند.     

بطورخلاصه این سازه‌ها به قرار زیر می‌باشند

الف- سازه‌ های مستهلک کننده انرژی در جهت افقی در این سازه‌ها که اکثراٌدر پایین دست سر ریز سدها (سر ریز اوجی ) و در کانالها و در انتهای شیب شکن‌ها دیده می‌شوند انرژی آب به صورت جهش هیدرولیکی تلف می‌شود که انواع حوضچه‌های آرامش از این نوع می‌باشند.

ب- سازه‌های مستهلک کننده انرژی در جهت عمودی: این سازه‌ها اکثراٌ در کانالهای آبیاری مورد استفاده قرار می‌گیرند که از آن جمله می‌توان به حوضچه ای منی فولد (mani fold)، چاه آرامش و انواع فلیپ باکت‌ها اشاره کرد.

ج- سازهای مستهلک کننده انرژی در دو جهت عمودی و افقی: این سازه‌ها شامل انواع شیب شکنهای قائم و مایل می‌باشد که اکثراٌ در کانال‌های آبیاری استفاده می‌شود.

باتوجه به مطالب بالا یکی از معمول ترین روش‌های استهلاک انرژی در جهت افقی ایجاد پرش هیدرولیکی است پرش هیدرولیکی یا جهش آبی پدیده است جالب که بدلیل کاربرد بسیار آن در علم  هیدرولیک مطالعات بسیاری  

بر روی آن صورت گرفته است پرش هیدرولیکی پدیده­ای است که در اثر تغییر جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی رخ می دهد. همزمان ‌با این کار آشفتگی­های زیادی بصورت گرداب­های شدید و جریان غلتابی معکوس ایجاد می‌شو دکه این غلتاب‌ها باعث ورود مقدار قابل ملاحضه ای هواشده و سطح آب دارای ظاهری سفید، کف آلود و آشفته می‌شود.

این آشفتگی­ها، غلتاب­ها و ورود هوا به داخل آب باعث می‌شوندکه از انرژی آب درحد بالائی کاسته شود.

در یک پدیده جهش آبی می‌بایست عمقهای  y1 و y2 (عمق‌های متناظر) طول پرشLj، میزان افت انرژی، توزیع فشار، پروفیل سرعت اندازه گیری گردد. یکی ازخصوصیات مهم جهش آبی طول جهش می‌باشدکه بدست آوردن آن بسیارمهم بوده زیرابرطول حوضچه آرامش تأثیرمستقیم دارد. مواردکاربرد پرش هیدرولیکی به شرح ذیل است.

کاهش انرژی آب درجریان ازروی سدها، سرریزها، و دیگر سازه‌های هیدرولیکی و نهایتاٌ محافظت ازقسمت‌های پائین دست.

2- افزایش سطح آب در کانال‌ها به منظور پخش آب.

3- افزایش دبی خروجی از زیر دریچه‌ها با دور نگه داشتن سطح یا یاب.

4- کاهش فشار بالابرنده در زیر سازه‌ها با افزایش عمق آب در دامنه سازه.

5- مخلوط نمودن مواد شیمیائی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز جهت مصارف کشاورزی

6- جدا نمودن هوای محبوس ازجریان­های موجود درکانال‌های باز دایروی.

بنابراین برای اینکه پرش درست در پائین دست سازه ایجاد شود و از منتقل شدن آن به پائین دست جلوگیری شود می‌بایست از حوضچه‌های آرامش استفاده کرد. این حوضچه‌ها مقاطع مستطیلی بوده و دیواره‌های آن ازبتن می‌باشد.

پس می‌بایست در پائین دست سازه یک کف افقی بتنی درست کرد و عمق پایاب لازم (عمق در پائین دست جهش در کانال ونه عمق ثانویه ) جهش را در آن ایجاد کرد تاعمق ثانویه جهش برابر آن عمق گردید در آن صورت پرش هیدرولیکی اتفاق خواهد افتاد چنانچه عمق پایاب موجود کم باشد در آن صورت برای اینکه جهش قطعاٌ ایجادشود می‌بایست کمی‌ کف حوضچه را پائین­تر آورد یا در انتهای کف افقی یک دیواره کوتاه قائم (پله) ایجاد کرد و سپس بوسیله این عمل اطمینان می‌یابیم که پرش قطعاٌ تشکیل می‌شود ولی این نکته مهم است که طول پرش بعضاٌ 1/6 برابر عمق ثانویه است و این طول زیادی را در بر می‌گیرد که چون سازه‌ها بتنی است باعث بالا رفتن هزینه می‌شود. بنابراین در طرح حوضچه‌های آرامش از بلوکهای ابتدائی، انتهائی و یا میانی نیز استفاده می‌کنند که به کوچکتر شدن طول حوضچه کمک می‌کند. پس اهداف اصلی ساخت حوضچه‌های آرامش یکی تثبیت پرش هیدرولیکی است و دیگری کمک به ایجاد پرش هیدرولیکی است. کوتاه­تر شدن طول پرش فقط به کم شدن هزینه‌ها کمک خواهد کرد. بدین جهت حوضچه‌های آرامش مختلفی مورد آزمایش قرار گرقتند که هر کدام برای یک نوع پرش شرح داده شده مفید می‌باشد این حوضچه‌ها پس از آزمایش بسیار و قطعی شدن آنها بصورت تیپ در آمده اند و در حال حاضر برای طراحی هر کدام از آنها می‌توان به تیپ اصلی آنها مراجعه کرد. بطور کلی دو نوع کلی حوضچه‌های آرامش وجود دارد یکی حوضچه‌های آرامش استاندارد USBR که خود به چندین نوع تقسیم می‌شود و یکی حوضچه آرامش استاندارد SAF که شرح آنها ذیلاٌ آورده می‌شود

در هفتاد سال گذشته، به دلیل اهمیت و کاربرد بسیار زیاد پرش هیدرولیکی مطالعات گسترده ای در این مورد انجام گردیده است.

پرش هیدرولیکی که در بستر‌های صاف، افقی و با شکل حوضچه منشوری اتفاق می‌افتد بنام پرش هیدرولیکی کلاسیک نام­گذاری شده است که دارای الگوی جریان دو بعدی می‌باشد این نوع پرش، پیش از این توسط محققین  بزرگ، مورد مطالعه قرار گرفته است. اهداف اصلی مطالعات ایشان، ایجاد روابط برای پیش بینی خصوصیات پرش نظیر طول پرش، عمق پایاب مورد نیاز. میزان استهلاک انرژی، توزیع سرعت جریان، نوسانات فشار، پروفیل سطح آب در طول پرش بوده است نتایج تحقیقات نشانگر آن است که زبری بستر در جهت کاهش طول پرش هیدرولیکی و عمق پایاب مؤثر است با توجه به اهمیت دو پارامتر طول پرش هیدرولیکی  و عمق پایاب در کم کردن هزینه‌های طراحی وساخت مستهلک کننده انرژی، همچنان نیاز به مطالعات در این مورد احساس می‌گردد. طی آخرین مطالعات انجام گرفته توسط ایدو راجاراتنام (2002) که از بستر مواج استفاده شده است نتایج آزمایشگاهی نشان داد که در صورت مواج بودن بستر، مقدار طول پرش و عمق پایاب بطور چشمگیری کاهش خواهد بافت همچنین به تحقیقات شفاعی و ایزدجو (2003) می‌توان اشاره کرد. آنها در تحقیقات خود با قرار دادن زبری‌های موجی شکل دربستر حوضچه آرامش نشان دادند که طول پرش هیدرولیکی تا 50% نسبت اعماق مزدوج نیز تا 30% کاهش یافته است مطالعات کارولو و همکاران (2007) نیز که روی بستر زبر شده توسط مصالح رودخانه‌ای نشان داد که طول پرش هیدرولیکی و عمق ثانویه کاهش چشمگیری داشته است.

1-2- ضرورت تحقیق

پرش هیدرولیکی متداول­ترین روش جهت استهلاک انرژی در پایین دست سازه‌هایی هیدرولیکی می‌باشد در مستهلک کننده‌هایی انرژی از نوع پرش معمولا ٌبا کمک بافل و در داخل حوضچه آرامش ایجاد می‌شود تاکنون مطالعات گسترده ای در زمینه انواع حوضچه‌های آرامش صورت گرفته است

هدف همه این  مطالعات  بوجود آوردن حوضچه‌های اقتصادی بوده است.

پارامترهایی چون طول حوضچه، ضخامت دال کف، عمق پایاب مورد نیاز از جمله پارامترهای مهمی‌هستند که بر اقتصاد کردن سازه حوضچه آرامش تأثیر فراوانی دارند اخیراٌمطالعه مقدماتی نشان داده که زبر بودن کف حوضچه‌های آرامش باعث کاهش طول حوضچه و کاهش عمق پایاب مورد نیاز می‌گردد.{اید وراجااتنام 2002}. این مطالعه امید زیادی برای ایجاد حوضچه‌های اقتصادی تررا فراهم کرده است.

1-3- فرضیه تحقیق

این تحقیق بر این فرضیه استوار است که ارتفاع و عرض‌هایی مختلف زبری در کف بستر از طریق افزایش تنش برشی و در نتیجه تلاطم بیشتر جریان می‌تواند باعث تغییراتی در خصوصیات پرش هیدرولیکی و کاهش طول پرش و عمق پایاب شود که نهایتاٌ می‌توان سازه‌های مستهلک کننده انرژی اقتصادی تری طراحی کرد.

1-4- اهداف مطالعه حاضر

بطور کلی با توجه به مطالعات ارائه شده  اهداف این مطالعات را می‌توان به شرح ذیل بیان کرد :

بررسی و ضعیت هیدرولیکی پرش در بستر زبر و اندازه­گیری مشخصات پرش نظیر طول پرش و عمق پایاب در پرش هیدرولیکی با ابعاد‌های متفاوت زبری بستر برای اعداد فرود متفاوت

 برآورد میزان تأثیر ابعاد متفاوت زبری بستر بر مشخصات پرش هیدرولیکی و مقایسه آن با پرش کلاسیک

افت انرژی پرش در بستر و مقایسه آن با پرش کلاسیک

برآورد تنش برش کف در پرش هیدرولیکی با ابعاد‌های مختلف زبری بستر و مقایسه آن با حالت کلاسیک

ارتباطات ایجاد شده بین عوامل هیدرولیکی پرش در بستر زبر به صورت بدون بعد.

1-5- روش تحقیق

برای رسیدن به اهداف این تحقیق نیاز به انجام آزمایش‌های مختلف می‌باشد. ابتدا منابع مهم در زمینه پرش هیدرولیکی کلاسیک و پرش بر روی بستر‌های زبر جمع آوری و مورد بررسی قرار گرفته است سپس اقدام به ساخت یک دستگاه فلوم آزمایشگاهی شد . فلوم آزمایشگاهی به طول 8 متر عرض 35/0 متر و ارتفاع 4/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه آزاد واحد یاسوج مورد استفاده قرار گرفت.

1-6-  مطالب این پایان نامه

به منظور ارائه بهتر کارهای‌ انجام شده در این مطالعه سعی گردیده است، که موضوعات مورد و مطالعه در فصول جداگانه ارائه شود و در فصل ابتدا، مروری بر منابع و تحقیقات انجام شده قبلی، انجام گردد و سپس روش انجام آزمایشات و نتایج ارائه شود.

Experimental Investigation of Wide and Hight Roughness  shapes Triangular on Charactoristics of  Hydraulic Jump at Stilling Basins

Abstract :

In this study the effects of three hight [20, 40 , 60 mm] and five wide [40,80,120mm]different alternative cubic roughness elements on the characteristics of hydraulic jump have been investics of hydraulic jump have been investigated experimentally. For the purpose of this study, cubic roughness elements with different alteratives have been tested in a rectangular and 35 cm wide a flume of 8 m long. Experiments are conducted in the hydraulic laboratory of azad yasouj University, yasouj, Iran. The roughness elements are glued on the bed of flume downstream of Ogee Spillways in such a way that the incoming water jet is just above the element surface. It should be noted that the incoming jet was at the same level of the element bottom so the elements act as baffle blocks. Each rough element alternative was tested under different flow conditions. The incoming Froude number was in the of 5.19 to 12.50 during each tested the water surface profile, the roller length and the jump length were measured. In few testes the longitudes and vertical flow velocity were measured. The results indicate that the presence of rough element can reduce the sequent depth ratio. The amount of reeducation depends on the Froude number and the roughness wide and Right. The third alternative element arrangement can pouuce lasser the sequent depth ratio. Relations have been presented in study for solution of the momentum equation for the sequent depth ratio as a function of the Froude number for each roughness alternative.

Key words:

Hydraulic jump, Roughness element, sequent depth rario, Length of Jump.