بررسی آزمایشگاهی اثر مشترک زبری و مانع روی کنترل جریان غلیظ
چکیده
در سرتاسر دنیا بخش عظیمی از حجم مفید مخازن سدها به واسطه رسوبگذاری از بین می رود .عامل اصلی حرکت رسوبات در مخازن سد پدیده ای به نام جریان غلیظ می باشد، لذا تحقیق در خصوص شناخت این پدیده از اهمیت بسیاری برخوردار است. جریان غلیظ، جریانی با چگالی بیشتر از سیال پیرامون می باشد که این اختلاف در چگالی منجر به کاهش شتاب ثقل می شود. جریان غلیظ باعث انتقال رسوبات به نزدیکی بدنه سد و ایجاد خطر برای تأسیسات جانبی می گردد. لذا ارائه راهکارهایی به منظور کنترل آن در مخازن سدها بسیار مهم می باشد. از جمله راهکارهایی که تا کنون در مورد کنترل جریان غلیظ در مخازن سدها ارائه شده، می توان به ایجاد مانع، پرده حباب یا صفحات نفوذپذیر اشاره نمود. با توجه به مطالعات انجام شده ارتفاع لازم مانع جهت بلوک کامل جریان غلیظ بین 5/1 تا 5/2 برابر ارتفاع بدنه جریان غلیظ می¬باشد. بنابراین اگر ارتفاع جریان غلیظ زیاد باشد جهت مهار کامل آن نیاز به مانع با ارتفاع زیادی خواهد بود که بسیار پر هزینه است. استفاده از زبری در اطراف مانع به منظور کاهش ارتفاع آن می¬تواند به عنوان یک ایده در نظر گرفته شود. اما موقعیت زبری¬ نسبت به مانع (بالادست، پایین دست یا در هر دو طرف) می¬تواند تأثیرات متفاوتی در کنترل جریان غلیظ داشته باشد. لذا هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر استفاده از زبری به همراه مانع بر روی کنترل جریان غلیظ می باشد. در ابتدا آزمایش هایی در خصوص تأثیر زبری بر روی مشخصات جریان غلیظ با در نظر گرفتن 4 ارتفاع زبری، 4 شیب و 2 غلظت از جریان غلیظ صورت پذیرفت. در مجموع تعداد 32 سری آزمایش برای این قسمت انجام شد. سپس تأثیر زبری به همراه مانع بر روی کنترل جریان غلیظ مورد بررسی قرار گرفت. ارتفاع مانع در طول آزمایش ها ثابت و برابر ارتفاع بدنه جریان غلیظ در نظر گرفته شد. در این قسمت آزمایش ها با در نظر گرفتن 2 شیب، 2 غلظت، 3 ارتفاع زبری، 3 طول کارگذاری زبری و 3 موقعیت کارگذاری زبری نسبت به مانع (بالادست، پایین دست و دو طرف مانع) و 4 آزمایش بدون در نظر گرفتن زبری صورت پذیرفت. در مجموع تعداد 112 آزمایش برای این قسمت انجام شد. در کلیه آزمایش ها دبی جریان غلیظ ثابت در نظر گرفته شد. نتایج حاصل از آزمایش های انجام شده نشان داد در صورتی که ارتفاع مانع برابر ارتفاع بدنه جریان غلیظ باشد، میزان مهار جریان غلیظ به میزان قابل توجهی نسبت به ارتفاع مورد نظر برای مهار کامل جریان (ارتفاع مانع 2برابر ارتفاع بدنه جریان غلیظ) کاهش می یابد. به عنوان مثال برای شیب صفر درصد و غلظت 10 گرم بر لیتر از جریان غلیظ تنها حدود 36 درصد از جریان غلیظ کنترل گردید. همچنین مشخص گردید به کار بردن زبری به همراه مانع با ارتفاع برابر با ارتفاع بدنه جریان غلیظ به طور کلی تأثیر زیادی بر روی مهار جریان غلیظ دارد. به عنوان مثال برای آزمایش با شیب صفر درصد، غلظت 10 گرم بر لیتر و کارگذاری زبری با طول 5/1 متر در دو طرف مانع، میزان کنترل جریان غلیظ تقریباً 100 درصد حاصل شد. در مورد تأثیر موقعیت کارگذاری زبری نسبت به مانع مشخص گردید که تأثیر کارگذاری زبری در بالادست مانع بر روی کنترل جریان غلیظ نسبت به حالتی که در پایین دست کارگذاری شود، نسبتاً بیشتر خواهد بود (حدود 7 درصد). همچنین نتایج حاصل نشان داد که با افزایش ارتفاع زبری سرعت پیشانی و بدنه جریان غلیظ کاهش می یابد. از طرفی کاهش غلظت جریان غلیظ در اثر ورود سیال پیرامون به آن در طول مسیر باعث کاهش اختلاف بین چگالی سیال غلیظ و سیال پیرامون شده که این نیز کاهش سرعت پیشانی و بدنه جریان غلیظ را به دنبال دارد. ضریب کولگان با در نظر گرفتن زبری برای تحقیق حاضر در حدود 4/0 برای پیشانی و در حدود 6/0 برای بدنه جریان غلیظ برآورد گردید. نتایج در خصصوص تأثیر زبری بر روی ضریب اشدت اختلاط ( ) نشان داد که در عدد ریچاردسون ( ) یکسان، با افزایش ارتفاع زبری ضریب شدت اختلاط افزایش می یابد. به عنوان مثال در عدد ریچاردسون 3، با افزایش زبری از 5/0 سانتیمتر تا 1 سانتیمتر ضریب شدت اختلاط به میزان 20 درصد و با افزایش زبری از 1 سانتیمتر تا 5/1 سانتیمتر ضریب شدت اختلاط به میزان 34 درصد افزایش می یابد. همچنین یک معادله تجربی برای به صورت تابعی از و ( : ارتفاع زبری، : اندازه متوسط بدنه جریان غلیظ و : زبری نسبی) ارائه گردید. با انجام آنالیز حساسیت با استفاده از روش ضریب کشش برای این معادله مشخص گردید که تأثیر عدد ریچاردسون در برآورد ضریب شدت اختلاط در حدود 4 برابر تأثیر می باشد. نتایج حاصل درخصوص تأثیر زبری بر روی پروفیل های سرعت نشان داد که وجود زبری بر روی شکل عمومی پروفیل سرعت به خصوص در ناحیه دیواره تأثیر قابل توجهی دارد. همچنین با افزایش ارتفاع زبری کاهش یافته که به نظر می رسد این موضوع منجر به کاهش فرسایش بستر می شود. بر اساس پروفیل های غلظت، زبری به دلیل کاهش سرعت جریان غلیظ باعث ته نشینی رسوبات و کاهش غلظت در عمق می شود.