مطالعه آزمایشگاهی مشخصات نواحی جداشدگی جریان در تقاطع چهار شاخه ی 90 درجه کانال های روباز با جریان زیربحرانی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شاهرود

2 عضو هیات علمی دانشگاه تبریز

چکیده

چکیده
مقدمه: یکی از مشکلات موجود در محل تقاطع کانال‌ها توسعه‌ی ناحیه‌ی جداشدگی در کانال‌های پایین دست محل تقاطع می-باشد. ایجاد ناحیه جداشدگی نقش مهمی در تعیین محل سازه‌های هیدرولیکی پایین دست داشته و افزایش ابعاد آن، کاهش سطح مقطع جریان را به دنبال دارد. با توجه به اثرات توسعه ناحیه جداشدگی، مطالعه در این زمینه همواره مورد توجه محققین قرار داشته است. در این تحقیق تاثیر عواملی نظیر نسبت دبی ورودی، ارتفاع سرریزهای خروجی و ارتفاع کف کانال های ورودی بر روی ابعاد ناحیه جداشدگی در تقاطع چهار شاخه 90 درجه با جریان زیربحرانی مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش ها: آزمایش‌ها در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تبریز انجام شد. مدل آزمایشگاهی از یک کانال اصلی به طول 8.4 متر و کانال فرعی به طول 4.4 متر تشکیل شده که ارتفاع و عرض کانال‌ها به ترتیب 50 و 40 سانتیمتر بود. زاویه بین دو کانال 90 درجه و شیب کف آن‌ها صفر در نظر گرفته شد. در این تحقیق تاثیر پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مختلف نظیر ارتفاع سرریزهای کانال های خروجی، تراز کف کانال فرعی و نسبت دبی ورودی بر روی مشخصات ناحیه جداشدگی در کانال های خروجی در تقاطع 90 درجه با دو کانال ورودی و دو کانال خروجی به صورت آزمایشگاهی بررسی شد. در آزمایش‌ها به منظور بررسی الگوی جریان و همچنین اندازه‌گیری ابعاد ناحیه جداشدگی از تزریق ماده رنگی، خاک اره، خط کش و متر استفاده شد.
نتایج و بحث: نتایج آزمایش‌ها نشان داد که با افزایش نسبت دبی ورودی ابعاد ناحیه جداشدگی در کانال‌های خروجی افزایش می یابد به‌طوری‌که حداقل تغییرات (نسبت طول ناحیه جداشدگی در کانال اصلی به عرض کانال) در حدود 45 درصد بود. کاهش ارتفاع سرریزهای خروجی نیز سبب افزایش ابعاد ناحیه جداشدگی در دو کانال خروجی شد. با افزایش ارتفاع کف کانال‌های فرعی، ابعاد ناحیه جداشدگی در کانال خروجی اصلی افزایش یافته که محدوده تغییرات بین 0.8 تا 2.75 بود در صورتی‌که ابعاد ناحیه جداشدگی در کانال خروجی فرعی کاهش یافته و محدوده تغییرات (نسبت طول ناحیه جداشدگی در کانال فرعی به عرض کانال) بین 0.2- 2 بود . همچنین نتایج نشان داد که با افزایش نسبت ارتفاع سرریز انتهای کانال فرعی به ارتفاع سرریز انتهای کانال اصلی ابعاد ناحیه جداشدگی در هر دو کانال اصلی و فرعی خروجی افزایش می‌یابد به طوری که محدوده تغییرات (طول ناحیه جداشدگی به عرض کانال) به ترتیب بین 0.2-1.4 و 0.2 -2 بود. با وجود تغییر ابعاد ناحیه جداشدگی به ازای شرایط جریان متفاوت نسبت عرض به طول ناحیه جداشدگی در دو کانال خروجی اصلی و فرعی ثابت و مقدار آن به ترتیب برابر با 0.16و 0.25 بود. در نهایت معادلات رگرسیونی برای محاسبه ابعاد ناحیه جداشدگی ارائه شدند به طوری که نتایج آن‌ها مطابقت خوبی را با یکدیگر نشان داد.
نتیجه‌گیری: در این تحقیق تاثیر نسبت دبی ورودی، ارتفاع سرریزهای انتهای کانال‌ها و ارتفاع کف کانال‌های فرعی بر روی ابعاد ناحیه جداشدگی در تقاطع 90 درجه کانال های روباز بررسی شد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که با افزایش نسبت دبی ورودی و ارتفاع سرریزهای انتهایی، ابعاد ناحیه جداشدگی در کانال خروجی اصلی و فرعی افزایش می‌یابد. با افزایش ارتفاع کف کانال فرعی ابعاد ناحیه جداشدگی در کانال اصلی افزایش یافت اما این ابعاد در کانال خروجی فرعی با کاهش همراه بود. همچنین با افزایش نسبت (نسبت ارتفاع سرریزخروجی فرعی به اصلی) ابعاد ناحیه جداشدگی در دو کانال خروجی افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental study of Separation Zone characteristics of flow in 90 Degrees Four-branch Open Channel Junction with Subcritical Flow

نویسندگان [English]

  • Seyyed Hossein Hosseini 1
  • Davood Farsadizadeh 2
  • Ali Hosseinzadeh Dalir 2
1 Faculty member of Shahrood university of Technology
چکیده [English]

Introduction: In open channel junctions development of separation zone at the downstream channels is one of the engineering challenges. Development of separation zone has important role on determination of position of hydraulic structures and also increase of its dimensions caused decreasing of flow area so that leads to more erosion of the bed. As the flow is entered to the channel, flow separated from the wall and a zone with low pressure and vortex is created that is called separation zone. As regards of destructive effects of development of the separation zone, researchers always have focused on this case. The aim of this study is to investigate the effects of factors such as inlet discharge ratio, height of outlets weirs and bed elevation of inlet channels on dimensions of the separation zone in 90 degrees four-branch junction with subcritical flow.
Materials and methods: Experiments were carried out in hydraulic Lab of Tabriz University. The setup consists of an intersection of four identical channels which intersect at right angles. Each channel is made from glass with a width 0.4 m and height 0.5 m. Junction was right-angled and bed of the channels was considered horizontal. In this study effects of different geometric and hydraulic parameters such as height of the outlet weirs, bed elevation of the lateral channel and inlet discharge ratio on characteristics of the separation zone in outlet channels in 90 degrees four-branch junction with two inlet flows and two outlet flows was investigated experimentally. In order to investigate the flow pattern were used pigment and sawdust and dimensions of the separation zone were measured by ruler and meter.
Results and discussion: The results revealed that decreasing height of outlet weirs increases dimensions of the separation zone so that minimum variations of (ratio of length of the separation zone in main outlet channel to channel width) was about 45 percents. As the bed elevation of lateral channels increases dimensions of the separation zone at the main outlet channel increase which variations of was between 0.8 to 2.75 but dimensions of the separation zone at the lateral outlet channel decrease and variations of (ratio of length of the separation zone in lateral outlet channel to channel width) was at the range of 0.2-2 . The results also indicated that as the ratio of outlet weir height of the lateral channel to outlet weir height of the main channel increases, dimensions of the separation zone in both lateral and main outlet channels increase so that variations of for both main and lateral channels were at 0.2-1.4 and 0.2-2, respectively. Although the dimensions of the separation zone change with respect to different conditions but width to length ratios in lateral and main outlet channels were 0.16 and 0.25, respectively. Finally in order to calculate the dimension of the separation zone, regression equations were presented so that experimental and analytical results had good agreement.
Conclusion: In this research effect of the inlet discharge ratio, height of the outlet weirs and bed elevation of the lateral channels on dimensions of the separation zone in 90 degrees open channel junctions was investigated. Results showed that as increase of the inlet discharge ratio and height of the outlet weirs, dimensions of the separation zone increased. Increase of the bed elevation of the lateral channel increased dimensions of the separation zone in main outlet channel while decreased dimensions of the separation zone in lateral outlet channel. As increased of dimensions of the separation zone in both outlet channels increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • four-branch junction
  • lateral channel
  • main channel
  • subcritical flow
  • width to length ratio of the separation zone
1.Best, J.L., and Reid, I. 1984. Separation zone at open-channel junctions. J. Hydraul Eng.
ASCE. 110: 11. 1588-1594.
2.Ghobadian, R., Shafai-Bajestan, M., and Mousavi Jahromi, S.H. 2006. Experimental
Investigation of Flow Separation Zone in River Confluence in Subcritical Flow Conditions.
J. Iran-Water Resour. Res. 2: 2. 67-77.
3.Gurram, S.K., Karki, K.S., and Hager, W.H. 1997. Subcritical junction flow. J. Hydraul Eng.
ASCE. 123: 5. 447-455.
4.Hsu, C.C., Tang, C.J., Lee, W.J., and Shieh, M.Y. 2002. Subcritical 90° equal-width
open-channel dividing flow. J. Hydraul. Eng. ASCE. 128: 7. 716-720.
5.Hsu, C.C., Wu, F.S., and Lee, W.J. 1998. Flow at 90° equal-width open-channel junction.
J. Hydraul. Eng. ASCE. 124: 2. 186-191.
6.Ramamurthy, A.S., Carballada, L.B., and Tran, D.M. 1988. Combining open channel flow at
right angled junctions. J. Hydraul. Eng. ASCE. 114: 12. 1449-1460.
7.Ramamurthy, A.S., Qu, J., and Vo, D. 2007. Numerical and experimental study of dividing
open-channel flows. J. Hydraul. Eng. ASCE. 133: 10. 1135-1144.
8.Ramamurthy, A.S., and Satish, M.G. 1988. Division of flow in short open channel branches.
J. Hydraul. Eng. ASCE. 114: 4. 428-438.
9.Rivie`re, N., Travin, G., and Perkins R.J. 2011. Subcritical open channel flows in four branch
intersections. Water Resources Research. 47: 10517. 1-10.
10.Rodi, W., and Weiss, K. 1980. Laboruntersuchungen des Nahfelds von warmwassereinleitungen in rechteckgerinne. Research Report No. 574. Institute for Hydromechanics, University of Karlsruhe, W. Germany.
11.Taylor, E.H. 1944. Flow characteristics at rectangular open-channel junctions. Trans. ASCE.
109: 893-912.