بررسی آزمایشگاهی اثر تغییر موقعیت در راستای عمود بر جریان مدل ترکیبی سرریز- دریچه استوانه ای
چکیده
کاربرد سازه استوانه ای نسبت به سازه های با اشکال دیگر (مثلثی، مستطیلی و ...) دارای مزایایی چون هزینه کم، طراحی آسان، سهولت ساخت و ضریب دبی بالاتر می باشد. تحقیق حاضر بر هیدرولیک جریان آزاد عبوری از سازه استوانه ای متحرک در راستای عمود بر جهت جریان که با جابه جایی آن سه سازه سرریز، سرریز- دریچه و دریچه استوانه ای نمود می یابد، متمرکز شده است. در این مطالعه پارامترهای اصلی تأثیر گذار بر ضریب دبی جریان عبوری (cd) به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. به علاوه افت انرژی جریان عبوری نیز به کمیت در آمده است. پارامترهای تأثیر گذار بر سیستم مورد مطالعه در قالب شناسه های بدون بعد و توابع مورد نظر با استفاده از تئوری پای باکینگهام به دست آمده اند. آزمایش ها در یک کانال آزمایشگاهی مستطیلی به طول 7.5 متر، عرض 0.4 متر و عمق 0.46 متر بر بستر صاف و صلب با شیب طولی 0.0001 در آزمایشگاه هیدرولیک گروه عمران و محیط زیست دانشگاه اوستفالیا- آلمان، انجام شده اند. مدل های فیزیکی استوانه ای از جنس لوله های پلاستیکی (pvc) با قطرهای 50، 75، 110 و 125 میلی متر مورد استفاده قرار گرفتند. آزمایش ها در هفت ارتفاع بازشدگی دریچه مختلف بین صفر تا 60 میلی متر در اثر جابه جایی سازه در راستای عمود بر جهت جریان و دبی های متفاوت صورت گرفته است. حالت سرریز و آستانه حالت دریچه استوانه ای، ارتفاع بازشدگی ها و دبی های مورد مطالعه را در هر آزمایش تعیین می کنند. نسبت قطر سازه به عرض کانال محدوده 0.1 تا 0.4 را پوشش داده است. آزمایش ها در شرایط جریان آزاد انجام شده است و جریان ورودی محدوده عدد فرود بادلادست 0.12 تا 0.58 و عدد رینولدز بالادست 30000 تا 62000 را در برگرفته است. به عبارت دیگر، در آزمایش ها جریان ورودی به صورت زیربحرانی- آشفته بوده است. نتایج مطالعه حاضر حاکی از آن است که تغییرات ارتفاع بازشدگی دریچه با ضریب دبی جریان عبوری از سازه رابطه عکس داشته، به گونه ای که با جابه جایی سازه استوانه ای در راستای عمود بر جهت جریان، بیشترین ضریب دبی در سرریز استوانه ای در محدوده 1.2 تا 1.41 و کمترین ضریب دبی در دریچه استوانه ای در محدوده 0.4 تا 0.92 به دست آمده است، همچنین مشاهده شده است که ضریب دبی سازه ترکیبی سرریز- دریچه استوانه ای در محدوده 0.6 تا 1.2 متغیر بوده است. به علاوه نتایج نشان داده اند که میزان افت انرژی با تغییرات ارتفاع بازشدگی دریچه رابطه عکس داشته به نحوی که بیشترین میزان افت انرژی در سرریز استوانه ای در محدوده 0.03 تا 0.1 متر و کمترین میزان افت انرژی در دریچه استوانه ای در محدوده 0.004 تا 0.062 متر به دست آمده است، همچنین مشاهده شده که مقدار افت انرژی سازه ترکیبی سرریز- دریچه استوانه ای در محدوده 0.025 تا 0.1 متر متغیر بوده است. رابطه عکس حاکم میان افت انرژی و تغییرات ارتفاع باشدگی دریچه این گونه قابل استدلال است که با حرکت سازه به سمت بالا (افزایش ارتفاع بازشدگی دریچه) ضمن عبور جریان از زیر دریچه انحنای خطوط جریان در بالادست و پایین دست سازه کاهش می یابد، که منجر به کاهش افت انرژی جریان عبوری می گردد. به علاوه تغییرات قطر سازه استوانه ای با تغییرات ضریب دبی رابطه عکس و با تغییرات افت انرژی رابطه مستقیم داشته و این گونه قابل استدلال است که افزایش قطر سازه سبب کشیده شدن تیغه جریان از روی سرریز به زیر دریچه شده و عدم همسو بودن آن با جریان عبوری از دریچه موجب افزایش افت انرژی و متعاقب آن کاهش ضریب دبی می گردد. برازش های تجربی جهت به کمیت در آوردن رفتار ضریب دبی و دبی جریان عبوری از سازه استوانه ای متحرک در راستای عمود بر جهت جریان نیز ارائه شده است.