هیدرولیک جریان برروی سرریزهای کلیدپیانویی تحت هندسه‌ی متفاوت پایه‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز

2 دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

سابقه و هدف: با توجه به افزایش طول موثر و به تبع آن افزایش راندمان تخلیه در سرریزهای کلیدپیانویی می‌توان از آنها در سرریز سدها و یا سازه‌های تنظیم آب در شبکه‌های آبیاری و زهکشی استفاده نمود. در پژوهش حاضر تأثیر شکل هندسی پایه‌های نصب شده زیر کلیدهای خروجی بر راندمان هیدرولیکی این سرریزها بررسی شده است. استفاده از این سرریزها در مخازن سدها منجر به افزایش تراز سطح آب و افزایش حجم ذخیره در مخزن می‌شود. در مطالعات گذشته بدون در نظر گرفتن شکل پایه با استفاده از مدل فیزیکی ضریب تخلیه‌ای سرریزهای کلیدپیانویی به صورت روابط بدون بعد از پارامترهای هندسی سرریز و بار آبی ارائه شده است.
مواد و روشها: به این منظور ابتدا دو سرریز با نسبت‌های ارتفاع به عرض یک سیکل 33/1، (مدل 1)، و 50/0، (مدل 2)، ساخته شد. همچنین در هر مدل، از پایه‌های تخت، مثلثی و نیم‌استوانه به همراه مدل شاهد (بدون پایه)، جهت مقایسه‌ی راندمان هیدرولیکی استفاده گردید. در مجموع 8 مدل تهیه و در دبی‌های مختلف آزمایش‌های هیدرولیکی انجام شد. محدوده‌ی تغییرات دبی به گونه‌ای انتخاب گردید، تا اولاً، داده‌های زیادی جمع‌آوری شود و ثانیاً، هم شرایط آزاد و هم شرایط مستغرق برای سرریز ایجاد گردد. حداقل دبی کاربردی 1 لیتر بر ثانیه با کنترل عدد وبر به عنوان پارامتر کشش سطحی و حداکثر 130 لیتر بر ثانیه در نظر گرفته شد. آزمایش‌ها در آزمایشگاه مدل‌های فیزیکی هیدرولیکی دانشگاه شهید چمران اهواز و در یک فلوم آزمایشگاهی به عرض کف 80 سانتی‌متر و طول 12 متر انجام شد.
یافته‌ها: به طور کلی یافته‌های تحقیق حاضر نشان داد که در مجموع راندمان تخلیه هیدرولیکی مدل 1 ، با نسبت P/Wu، برابر 33/1، بیشتر از مدل 2 با نسبت P/Wu برابر با50/0، می‌باشد. این موضوع مستقل از شکل پایه‌هاست. از طرفی در هر دو مدل در یک بار آبی یکسان، دبی تخلیه سرریز با پایه‌ی مثلثی از سایر حالات بیشتر است. بر اساس نتایج به دست آمده از آزمایش‌های این تحقیق مشخص گردید که در هر دو مدل سرریز کلید پیانویی تغییرات دبی-اشل خطی بوده و این به مفهوم قدرت مناسب تنظیم‌کنندگی سطح آب بالادست سرریزهای می‌باشد. جهت مقایسه‌ی راندمان هیدرولیکی سرریزهای کلیدپیانویی از معادله‌ی عمومی سرریزها، استفاده شد. در این بخش نتایج نشان داد که راندمان هیدرولیکی پایه‌ی مثلثی از دیگر شکل‌های بررسی شده بیشتر است؛ پایه‌ی نیم‌استوانه در جایگاه دوم قرار دارد و همچنین تفاوتی میان پایه‌ی تخت و مدل شاهد (بدون پایه) وجود ندارد. در پایه‌ی استوانه‌ای از نظر هیدرودینامیکی خطوط جریان به‌ صورت تدریجی دارای انحنا گشته و افت انرژی کمتری به وقوع می‌پیوندد. از این‌رو در مدل‌های 1 و 2، بیشینه‌ی ضریب دبی محاسبه شده نسبت به حالت تخت و بدون پایه به ترتیب 15 و 17 درصد بیشتر است.
نتیجه‌گیری: استفاده از پایه با شکل‌های مختلف اثر معنی‌داری بر راندمان تخلیه سرریزهای کلیدپیانویی دارد. به نحوی که در مدل 1، بیشینه ضریب دبی برای پایه‌های مثلثی، نیم‌استوانه، تخت و مدل شاهد، به ترتیب برابر 61/0، 54/0، 48/0 و 46/0 بدست آمد که این مقادیر در نسبت‌های استغراق (نسبت هد جریان بالادست سرریز، Ht، به ارتفاع سرریز، P) حدود 1/0 به وقوع پیوست.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Piers Geometric on the Hydraulic Properties of Piano Key weirs

نویسندگان [English]

  • Alireza Afzalian 1
  • javad ahadiyan 2
چکیده [English]

Background and objectives: Piano Key weirs (PKW) used in spillway of dams and regulating structures in irrigation and drainage network because of increasing the discharge efficiency. In the present study, the effect of geometric shape of piers, where are placed under outlet keys, have been evaluated on hydraulic efficiency. These structures increase the water level and water storage volume in the reservoirs of dam. In the previous study physical model has been used to extract discharge coefficient of Piano key weirs without any research on pier shape. Also some dimensionless relationships have been derived for discharge coefficient.
Materials and Methods: To achieve these purposes two weirs built with the ratio of height to width of one cycle, P/Wu, 1.33 (Model 1) and 0.50 (Model 2). As a comparison to the hydraulic efficiency the different piers were constructed including of continues, Triangular, half cylindrical and without piers. However, eight models were made and the hydraulics experiments with various discharges were performed. Both of the free and submergence flow on the weirs could be considered with the variation of discharge. The Minimum and Maximum discharge in the all of experiments were 1 L/S and 130 L/S, respectively. The Weber Number as surface tension was controlled in the minimum of discharge. All of tests were performed at a flume with 0.8m width and 12 m length in physically and hydraulically models laboratory of Shahid Chamran University (SCU).
Results: Generally, the results of this study showed that hydraulic discharge efficiency in model 1 with P/Wu=1.33 is more than model 2 with P/Wu=0.5. So this condition is independent of piers shape. However, discharge of weir with triangular pier was more than the other states in the same heads of both models. In addition, analysis of experiments result in both models showed that head-discharge curve of weirs is linear trend which it does specify this structure have an appropriate regulating of upstream water level. The general discharge equation of weirs was used for hydraulic efficiency analysis. In this stage results showed that the hydraulic efficiency of triangular pier is more than other piers. In addition, the half cylindrical piers is placed at second rank and there are no significantly different between continues and without piers. The streamlines with smoothly trends become curved at the half cylindrical pier and friction head losses decreased. Hence, the maximum of measured discharge coefficients in models 1 and 2 are more than continues and without any piers, 15 and 17 percents, respectively.
Conclusion: Using the piers with various forms has a significant effect on the efficiency of the discharge Piano Key weirs. So that the maximum discharge coefficients are 0.61, 0.54, 0.48 and 0.46 for triangular, half cylindrical, continues and without piers at model 1, respectively. However, these coefficients obtained in the constant Ht/P (Ht is upstream head water and P is weir height) which was about 0.1.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Triangular pier
  • Continuous pier
  • Semi-Circular Pier
  • Piano key weir
  • outlet keys