مطالعه آزمایشگاهی و عددی مشخصات هیدرولیکی جریان عبوری از سرریز لبه تیز در اثر بالا آمدگی بستر بالادست

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا سازه های آبی دانشگاه همدان

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه بو علی سینا همدان

3 دانشیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری

4 استادیار دانشگاه اراک

چکیده

چکیده

سابقه و هدف: سرریزهای لبه تیز یکی از سازه‌های اندازه‌گیری، انحراف و کنترل سطح آب در پروژه‌های هیدرولیکی، آبی و زیست محیطی هستند. بنابراین بررسی ویژگی و خصوصیات آنها از جمله خصوصیات هیدرولیکی از مباحث مهم در طراحی این سازه‌ها می‌باشد. تاکنون مطالعات متنوع و زیادی در خصوص سرریزهای لبه تیز صورت پذیرفته است. در خصوص تاثیر ناهمترازی طرفین رقوم بستر روی خصوصیات هیدرولیکی سرریزها، مطالعات محدودی انجام شده است. در سرریزهای لبه‌تیز نیز همچون سایر سرریزها ناهمترازی طرفین (نظیر آبشار تنطیم کننده ) باعث تغییر در خصوصیات هیدرولیکی شده که باید مورد مطالعه قرار گیرند.
مواد و روش‌ها: آزمایش‌های تحقیق صورت گرفته در آزمایشگاه هیدرولیک پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری (وزارت جهاد کشاورزی) انجام گردید. آزمایش‌ها در فلوم به طول 14 متر، عرض 60 سانتی‌متر و ارتفاع 50 سانتی-متر انجام شد. سرریز لبه تیز دارای جنس پلکسی گلاس به ضخامت 6 میلیمتر، لبه تیز به ضخامت 2 میلیمتر ، ارتفاع 20 ‌سانتی‌متر و طول 60 سانتی‌متر بود. با مصالح مناسب رقوم بستر بالادست سرریز در سه مرحله تا ارتفاع 5، 10 و 15 سانتیمتر بالا آورده شد و در هر مرحله مقادیر رقوم تاج سرریز و سطح آب در بالادست و پایین‌دست در دبی-های مختلف برداشت و مشخصات هیدرولیکی بدست آمد. در ادامه برای تعمیم نتایج از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD ) استفاده شد
یافته‌ها:. نتایج تطابق خوبی بین مقادیر آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی نشان داد. روند تغییرات ضریب آبگذری از دو روش یکسان بود. حداکثر اختلاف در مقادیر H بدست آمده در دبی‌های برابر از دو روش فوق 11% بود که قابل قبول می‌باشد. مشاهده شد که با افزایش رقوم بستر بالادست عمق جریان بالادست کاهش، سرعت و عدد فرود جریان افزایش خواهد یافت اما در نسبتهای بالاآمدگی بستر بالادست کمتر از 75/0 (Z/P0. 5) را با اندکی اغماض می‌توان برای تمامی موارد مقدار متوسط 73/0 را در نظر گرفت. با افزایش دبی در نسبتهای مختلف از بالاآمدگی بستر بالادست اعداد فرود همگرا می‌شوند. در حالت خاصی که بستر بالادست هم تراز تاج باشد (دراپ عمودی یا Z/P=1) مقدار ضریب آبگذری برابر مقدار ثابت 6/0 خواهد بود که کمترین ضریب از بین حالتهای بررسی شده می‌باشد که با ضریب آبگذری سرریزهای لبه پهن مطابقت دارد و بنابراین در این حالت رقوم سطح آب نسبت به حالت‌های دیگر در دبی‌های یکسان افزایش خواهد یافت که با افزایش دبی این اختلاف‌ها بیشتر خواهد بود. در این حالت عدد فرود نیز برابر مقدار ثابت F_r=0.94C_d خواهد بود.
نتیجه‌گیری: به طور خلاصه میتوان چنین نتیجه گرفت با افزایش رقوم بستر بالادست عدد فرود افزایش خواهد یافت و در نتیجه تیغه ریزشی افقی‌تر می‌شود. در محدوده H/P≥0.5، به استثنای زمانی که Z/P به سمت یک میل می‌کند، در بقیه موارد افزایش رقوم بستر بالادست و همچنین افزایش H/P تاثیر قابل ملاحظه‌ای روی ضریب دبی ندارند. در دامنه Z/P
واژه‌های کلیدی: دراپ عمودی، سرریز لبه تیز ، ضریب آبگذری، عدد فرود، آبشار تنظیم کننده

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical Study of Hydraulic characteristics of flow over the sharp-crested weirs in the effect of increasing upstream bed level

نویسندگان [English]

  • Davoud Davoud Maghami 1
  • Hossein Banejad 2
  • Mojtaba Saneie 3
  • Seyed Asadolah Mohseni Movahed 4
1
2
3
4
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: Sharp crested weirs are used for the purpose of flow measurement, flow diversion and water level control in hydraulics, irrigation, and environmental projects. So exploring the features and characteristics of the hydraulic properties are an important issue in the design of these structures. Various studies have been done about sharp-crested weir. Few studies have been done about the impact of inequalityin the upstream and downstream bed level on hydraulic properties. The sharp-crested weirs like other weirs, unequal in the upstream and downstream bed level (such as the Check drop) cause changes on the hydraulic characteristics that must be studied.
Materials and Methods: Research conducted on Hydraulic laboratory which Situated in Research Institute of Soil Conservation and Watershed Management. The experiments were performed in the flume with 14 meters length, width of 60 cm and a height of 50 cm. Sharp crested weirs was built of Plexiglas with a thickness of 6 mm, edge thickness of 2 mm, a height of 20 cm and a length of 60 cm in the workshop and was placed within the flume. Upstream bed level increased with proper materials in three level 5, 10 and 15 cm from floor. At any stage, values of the weir crest level and upstream and downstream water level were recorded for different discharges. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to generalize the results. For this purpose, FLOW 3D software was used for modeling of Free-surface flow over weir. In This software, weir and it’s free surface are considered by using Fractional Area Volume Obstacle Representation and Volume Of Fluid methods respectively. The governing equations were Navier-Stokes and continuity equations for incompressible flows. For modeling turbulence, was used Re-Normalization Group (RNG) model.
Results: The results showed a good agreement Between experimental data and numerical simulation. changing procedure of discharge coefficient was the same in both methods. Maximum deference in the H, extracted from two methods, is 5% that is acceptable. The results showed that by increasing the upstream bed level, the upstream flow depth decreases, velocity and Froude number increase. But rising the upstream bed level to 0.75 (Z/P=0.75) does not affect on the discharge coefficient. In numerical method, Discharge coefficient values for H/P≥0.5 can be considered the average value of 0.73 for all cases. With increasing discharge Froude numbers are converging in different ratios of upstream bed level. In the special case where the upstream bed level is rised to Crest (vertical drop or Z/P=1), the discharge coefficient value will be 0.6. This value is the lowest between all cases and its magnitude is equal to discharge coefficient of the broad-crested weir. So in this case, the level of water is higher than the same rate of discharge in the other cases and this difference goes up by increasing discharge. In Z/P=1 he Froude number will be equal to a fixed value Fr = 0.94Cd.
Conclusion: In summary it can be concluded that by increasing the upstream bed level, the Froude number will increase and thus the nape becomes more horizontal. In the range of H / P≥0.5, except when the Z/P tend towards one, in other cases, the rising bed level and the increasing H/P have no significant impact on discharge coefficient. In the Z/P
Keywords: vertical drop, sharp-crested weirs, discharge coefficient, Froude number, Check Drop

کلیدواژه‌ها [English]

  • vertical drop
  • sharp-crested weirs
  • Discharge coefficient
  • Froude Number
  • Check Drop
1.Arvanaghi, H., and Nasehi Oskuei, N. 2013. Sharp-Crested Weir Discharge Coefficient. J.
Civil Engin. Urban. 3: 3. 87-91.
2.Azimian, A. 2006. Computational Fluid Dynamics. Isfahan University Publication Center.
604p. (In Persian)
3.Bagheri, S., and Heidarpour, M. 2010. Flow over rectangular sharp crested weirs. J. Irrig. Sci.
28: 2. 173-179.
4.Bos, M.G. 1989. Discharge measurement structures. 3rd edn. Publisher: International institute
for land reclamation and improvement. 401p.
5.Dastorani, M., and Nasrabadi, M. 2012. The effect of sedimentation in the ogee spillway on
flow conditions. Iran. J. Water Res. 10: 47-56. (In Persian)
6.Flow Science Incorporated. 2015. Flow-3D user's manuals, version 11.1, Santa Fe, NM.
7.Ghasemzadeh, F. 2013. Simulation hydraulic issues in Flow-3D. Noavar Publications. 144p.
(In Persian)
8.Henderson, F.M. 1964. Open-channel flow. New York: Macmillan. 522p.
9.Hirt, C.W., and Nichols, B.D. 1981. Volume of Fluid (VOF) method for the dynamics of free
boundaries. J. Comput. Physic. 39: 201-225.
10.Khosrojerdi, A., and Kavianpour, M.R. 2002. Hydraulic Behavior of Straight and Curved
Broad Crested Weirs. 5th International Conference on Hydroscience Engineering, Poland.
11.Kumar, S., Ahmad, Z., and Mansoor, T. 2011. A new approach to improve the discharging
capacity of sharp-crested triangular plan form weirs. Flow Measurement and
Instrumentation. 22: 175-180.
12.Kumar, S., Ahmad, Z., Mansoor, T., and Himanshu, S.K. 2012. Discharge Characteristics of
Sharp Crested Weir of Curved Plan-form. Res. J. Engin. Sci. 1: 4. 16-20.
13.Ramamurthy, A.S., Qu, J., and Zhai, C. 2007. Multisite weir characteristics. J. Irrig. Drain.
Engin. 133: 2. 198-200.
14.Reda, M.A. 2011. 2D-3D Modeling of Flow Over Sharp-Crested Weirs. J. Appl. Sci. Res.
7: 12. 2495-2505.
15.Naderi, V., Sadeghi Nasrabadi, M., and Arvanaghi, H. 2014. Effect of Height of SharpCrested Weir on Discharge Coefficient. Inter. J. Basic Sci. Appl. Res. 3: 6. 325-330.
16.Swamee, P.K. 1988. Generalized rectangular weir equations. J. Hydr. Engin. 114: 8. 945-949.