بررسی اثر ارتفاع مانع بر رسوبگذاری مخزن در جریان غلیظ
چکیده
جریان غلیظ، جریانی است که به علت اعمال نیروی ثقل بر روی اختلاف چگالی دو سیال به وجود می آید. در صورتی که این جریان وارد یک سیال دیگر با غلظت پایین تر شود به یک جریان غلیظ زیر گذر تبدیل می شود. جریان های غلیظ به طور کلی به دو دسته جریان های غلیظ پایدار(مانند جریان غلیظ نمکی) و جریان های غلیظ ناپایدار(مانند جریان غلیظ رسوبی یا جریان کدر) تقسیم بندی می شوند. در جریان های کدر عامل نگهداری ذرات در حالت معلق، تلاطم جریان بوده و غلظت حجمی رسوبات در جریان کمتر از 10 درصد است. رخداد این گونه از جریان ها در مخازن سدها باعث انتقال رسوبات به نزدیکی بدنه سد و ایجاد خطر برای تاسیسات و سازه های در نظر گرفته شده برای تامین اهداف سد می شود. کنترل این گونه جریان ها همواره از معضلات و مشکلات اساسی در بهره برداری از سدها بوده است. احداث مانع در مخزن یکی از روشهای کنترل و یا انحراف این گونه جریان ها است. ارتفاع این موانع تاثیر بسزایی درکارایی و همچنین هزینه احداث این موانع دارد، از طرفی ارتفاع مانع بستگی به شرایط ورود جریان به مخزن دارد، از این رو بررسی ارتفاعی از مانع که باعث توقف جریان غلیظ در شرایط مختلف ورودی (غلظت، دبی و شیب) در مخزن می شود به عنوان هدف اصلی این تحقیق در نظر گرفته شده است. جهت تحقق این هدف فلومی شیبدار در دانشکده علوم مهندسی آب دانشگاه شهید چمران ساخته شد و 131 آزمایش با جریان غلیظ نمکی و رسوبی در شرایط ورودی مختلف (3 دبی، 3 غلظت و 3 شیب) و با 8 ارتفاع مانع انجام گردید. در هر دو سری آزمایشات نمکی و رسوبی جهت شناخت از شرایط جریان، ابتدا آزمایشات بدون احداث مانع انجام گردیده و پس از شناخت از شرایط جریان با الگوگیری از نتایج محدوده های ارائه شده حاصل از معادلات تئوری، ارتفاع های مورد نیاز اولیه جهت توقف هر یک از جریان ها محاسبه گردیده است. برای اندازه گیری سرعت از یک دستگاه سرعت سنج اکوستیک (dop 2000)، برای اندازه گیری مشخصه های پیشانی جریان (ارتفاع و سرعت) از اندازه گیری های مشاهداتی و کنترل با تصاویر ثبت شده توسط دوربین فیلم برداری و برای غلظت ازنمونه برداری مستقیم از جریان استفاده شده است. پروفیل های سرعت اندازه گیری شده در نواحی دیواره (نزدیک به کف فلوم) از رابطه نمایی و در ناحیه جت( ناحیه بالاتر از ارتفاع سرعت ماکزیمم) از توزیع گوسین تبعیت نموده و با نتایج تئوری و تحقیقات پیشین تطابق خوبی داشتند. با توجه به شبیه سازی فرودی جریان، پارامترهای بدون بعد با آنالیز ابعادی استخراج گردیدند که شامل عدد فرود چگال، ارتفاع نسبی مانع، نسبت عمق جریان به عمق مخزن ،شیب و عدد رینولدزبوده است. نتایج آزمایشات نشان داد که در کلیه آزمایشات عدد رینولدز بالاتر از 2000 بوده است. همچنین بر اساس نتایج بدست آمده برای کلیه آزمایش های انجام شده در حالت بدون مانع مشخص گردید، که با افزایش غلظت عمق جریان غلیظ کم شده و عدد فرود چگال جریان افزایش می یابد. افزایش شیب نیز باعث کاهش عمق و افزایش عدد فرود چگال شده است.با شناخت از شرایط آزمایشات بدون مانع و با توجه به هدف تحقیق که توقف جریان غلیظ با مانع بوده ارتفاع های مختلف مانع با شرایط ورودی مشابه با حالت بدون مانع انجام وکلیه پارامترهای بدون بعد محاسبه گردید. برای نتایج رابطه خطی چند گانه ای با دقت 2/97 درصد به صورت زیر حاصل گردید. این رابطه نشان می دهد که با افزایش شیب، عدد فرود چگال و نسبت ارتفاع جریان به عمق مخزن (r)، ارتفاع نسبی از مانع که باعث توقف جریان غلیظ می شود افزایش می یابد. همچنین با تحلیل حساسیت انجام شده مشخص گردید که عدد فرود چگال موثرترین پارامتر بوده و بیشترین تاثیر را بر ارتفاع نسبی مورد نیاز برای توقف جریان دارد. نتایج کلیه آزمایشات به صورت نموداری که تغییرات ارتفاع نسبی مانع را در برابر عدد فرود چگال مشخص می نمود ، ترسیم گردیده و منحنی جدیدی در مقایسه با نتایج تئوری برازش داده شده است. این منحنی در جریان های بالاتر از عدد فرود 8/0 از منحنی حاصل از نتایج تئوری فاصله گرفته و با افزایش عدد فرود این میزان بیشتر می شود که نشان دهنده تاثیر ورود سیال پیرامون می باشد. نتایج حاصله در این تحقیق با نتایج آزمایشگاهی موردی انجام شده توسط محققین دیگر مطابقت خوبی دارد. نتایج منحنی و رابطه ارائه شده می توانند بعنوان معیاری اولیه مناسب برای طراحی این گونه موانع به کار گرفته شوند. سری دوم آزمایشات با جریان غلیظ رسوبی انجام گردید. نتایج نشان می دهد که روند کاهش غلظت در فلوم در حالت بدون مانع ، به صورت نمایی بوده که بر نتایج تحقیقات گذشته منطبق می باشد. نتایج تقابل جریان با مانع نشان می دهد که غلظت رسوبات عبوری از مانع نسبت به حالت بدون مانع بین 50 تا 100 درصد کاهش یافته است که در جریان های زیر بحرانی این میزان بین 80 تا 100 و در جریان های فوق بحرانی این میزان 52 تا 63 درصد می باشد. همچنین نتایج دبی رسوبی عبوری از روی مانع با حالت بدون مانع مقایسه گردیده است که نشان می دهدکه مانع در هر دو حالت جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی می تواند تاثیر گذار باشد هر چند تاثیر مانع در جریان زیر بحرانی بیشتر است. همچنین نتایج نشان می دهد میزان دبی عبوری از روی مانع در آزمایشات رسوبی با نتایج حاصل از جریان نمکی مطابقت خوبی دارد و تنها در اثر کاهش g’ در جریان رسوبی در مقایسه با جریان نمکی دبی عبوری کمی افزایش یافته است، که در صورتی که مقادیر شرایط جریان رسوبی درست قبل از مانع و با g’ کاهش یافته ملاک قرار گیرد شرایط جریان مشابه با جریان نمکی خواهد بود.