مطالعه آزمایشگاهی اثر تمایل بلوک‌ها بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش USBR III

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی شاهرود

2 عضو هیات علمی و رییس دانشکده مهندسی عمران

3 عضو هیات علمی و معاون آموزشی دانشکده آب

چکیده

سابقه و هدف: یکی از روش‌های متداول برای استهلاک انرژی جنبشی جریان در پایین‌دست سازه‌های آبی در حوضچه-های آرامش پرش هیدرولیکی می‌باشد. پارامترهایی چون طول پرش، نسبت عمق ثانویه به عمق اولیه و میزان افت انرژی از جمله پارامترهای مهمی هستند که بر اقتصادی کردن سازه حوضچه آرامش تاثیر فراوانی دارند. از نظر تاریخی، نخستین بار پرش هیدرولیکی توسط بیدون در سال 1818 مورد بررسی قرار گرفت. از آن زمان تاکنون، محققین زیادی با به کارگیری زبری‌های مکعبی، لوزی و ذوزنقه‌ای شکل، بلوک‌های دارای انحنا در وجه بالادست و بلوک‌های بدون انحنا، بستر موجدار سینوسی، نوارهایی با مقطع ذوزنقه‌ای، دیوارهای ممتد و زبری‌های نواری مستطیلی خصوصیات این پدیده را مطالعه کرده اند.. با وجود این، علیرغم گذشت دو قرن از شروع مطالعات در مورد پرش هیدرولیکی، هنوز مسائل ناشناخته‌ای در مورد آن وجود دارد که محققین را برای ادامه پژوهش ترغیب می نماید. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر تغییر زاویه بلوک‌های میانی در حوضچه آرامش ΙΙΙ USBR بر مشخصه‌های پرش است.
مواد و روش‌ها: آزمایشهای این تحقیق در کانال آزمایشگاهی با دیواره‌های شفاف و بستر صاف با مقطع مستطیلی به عرض یک متر، عمق 85 سانتمیتر و طول 15 متر صورت گرفت. مدل شامل مخزن تامین آب، دریچه کشویی لبه تیز با بازشدگی ثابت 3 سانتی متر و یک دریچه پروانه‌ای در انتهای پایین دست کانال برای تنظیم عمق پایاب و فلومتر برای اندزه‌گیری دبی جریان است. بخشی از ابتدای کانال که بلافاصله بعد از دریچه مخزن قرار دارد، به عنوان حوضچه آرامش در نظر گرفته شده، سپس بلوک‌های میانی و آبپایه انتهایی بر مبنای ابعاد استاندارد حوضچه آرامش ΙΙΙ USBR داخل کانال نصب گردید. در این مطالعه بلوک‌های میانی در دو وضعیت واگرا و همگرا نسبت به محور مرکزی کانال قرار داده شد و در هر وضعیت 8 زاویه استقرار 10،20،30،40،50،60،70،80 درجه برای بلوک‌ها در نظر گرفته شد. پس از برقراری دبی مورد نظر، دریچه‌ی انتهایی فلوم برای تشکیل پرش غیرمستغرق با پنجه‌ی قرارگرفته در ابتدای فلوم در زیر دریچه‌ی بالادست تنظیم گردید و مقادیر دبی جریان، طول پرش، عمق آب اولیه و ثانویه پرش اندازه‌گیری و عکسبرداری متوالی از پروفیل پرش انجام شد. دامنه تغییرات مقادیر دبی و عدد فرود از 39 الی 7/81 و 44/4 الی 56/8 بود. در مجموع 180 آزمایش برای پرش‌های کلاسیک، تیپ سه استاندارد و وضعیت‌های واگرا و همگرا انجام شد.
یافته‌ها: در وضعیت همگرا با افزایش زاویه استقرار بلوک‌ها تا 30 درجه، طول پرش به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می-یابد و با افزایش بیشتر زاویه بلوک‌ها، جبهه‌ی پرش از دیواره‌های قائم کانال جدا شده و به سمت خط مرکزی کانال منحرف شده و نهایتاً طول پرش افزایش می‌یابد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان می‌دهند که افزایش زاویه استقرار بلوک ها تا 30 درجه در حالت همگرا باعث کاهش طول پرش به میزان متوسط 40 درصد و کاهش نسبت عمق ثانویه به میزان 10 درصد می‌گردد و افت انرژی نسبی را به 75 درصد می‌رساند. میزان این تغییرات در زاویه همگرایی بلوک 30 درجه با افزایش عدد فرود، برای افت انرژی نسبی و طول نسبی پرش افزایش و برای نسبت عمق ثانویه کاهش می‌یابد. علت اصلی کاهش طول پرش بعلت تشدید جریانهای ثانویه ناشی از تمایل بلوکها در زاویه 30 درجه است. همچنین در وضعیت واگرا برای همه زوایای استقرار بلوک‌ها افزایش طول پرش مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of the effects of block inclinations on the hydraulic jump characteristics in the stilling basin USBR III

نویسندگان [English]

  • zahra eshkou 1
  • ahmad ahmadi 2
  • amirahmad dehghani 3

1 Phd Candidate of Shahrood University of Technology

چکیده [English]

Background and objectives: Hydraulic jump is one of the common methods for dissipation of the kinetic energy of the flow in downstream of the hydraulic structures in stilling basins. Length of the stilling basin, depth ratio and the energy loss are some of the important parameters that should be taken into account for designing an economically efficient structure. Historically, Bidone was the pioneer to conduct investigations on the hydraulic jump in 1818.There after characteristics of this phenomenon have been investigated by many researches using cubic, rhombus and trapezoidal baffle blocks with and without curved upstream edges, sinusoidal bed, trapezoidal corrugation, sills and rectangular corrugations. Despite of the comprehensive researches performed during the last two centuries, there are still unknown issues that warrant more research on this subject. The perpose of this research is investigation of the effects of block inclinations on the hydraulic jump characteristics in the stilling basin USBR III.
Materials and methods: Experiments were conducted in a flume with glass walls and smooth bed with a rectangular cross section 1m wide, 85 cm deep and 15m long. The model consisted of a head tank, a slice gate with constant opening of 3 cm and a tail gate to obtain various flow depth and a flowmeter to measure the discharge. Part of beginning of flume immediately after the gate of the head tank, was used as stilling basin and baffle blocks and end sill were installed according to the criterion of a type ΙΙΙ USBR stilling basin. In this study, baffle blocks were installed in two cases of diverge and converge position relative to the central axis of the flume and in each position 8 placement angle of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80 degrees were considered for blocks. For each flow discharge, the tailgate was adjusted to establish a non-submerged hydraulic jump so that toe of the jump was formed at the beginning of the flume under upstream gate, then the length of jump, initial and secondary flow depth were measured and burst photos were taken from profile of the jump. Froude numbers and discharges ranged from 4.44 to 8.56 and 39 to 81.7 l/s respectively. In total, 180 tests were carried out for classic, USBRΙΙΙ and diverge and converge position jumps.
Results: In diverge position, increase in the placement angle of blocks up to 30° on convergent position caused significant decrease in jump length and further increase in placement angle resulted in separation of jump front from walls of flume and inclination to the central axis of flume and in turn increase of jump length. Also in diverge position, for all placement angles of blocks increase in jump lengths were observed.
Conclusion: The results showed that, increase in the placement angle of blocks up to 30° on convergent position caused 40 percent decrease in jump length and 10 percent decrease in depth ratio and also increase in relative energy loss to 75 percent. It is believed that the main reason of decreasing the jump length was raising the rate of secondary flows due to inclination of blocks in angle of 30 degrees.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic jump
  • stilling basin USBR III
  • Baffle blocks
  • placement angle