بررسی اثر تغییرات بازشدگی روی نقطه جدایش، اندازه دنباله و توزیع سرعت در سرریز- دریچه استوانه ای مستغرق

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کاندیدای اخذ درجه دکتری سازه های آبی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

2 دانشیار گروه سازه های آبی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

3 استاد گروه مکانیک دانشگاه چکوروا ترکیه

4 استادیار گروه عمران دانشگاه میرداماد گرگان

چکیده

چکیده
سابقه و هدف:
ترکیب سرریز و دریچه سازه جدیدی به‌وجود می‌آورد که می‌تواند برخی از نواقص استفاده جداگانه آن‌ها را برطرف کند به طوری که مواد معلق از رو و مواد قابل ته‌نشین شدن از زیر عبور نموده و همچنین با حرکت در راستای قائم و ایجاد بازشدگی‌های متفاوت و متناسب با تغییرات جریان ورودی، سطح آب را به شیوه بهتر و دقیق‌تری کنترل و هد آب ثابتی را برای کانال جانبی تنظیم نماید. یکی از انواع سرریز- دریچه نوع استوانه‌ای آن است که دارای مزایایی چون ضریب دبی بالا و افت کمتر نسبت به موارد جایگزین است. تحقیقات انجام گرفته توسط محققین قبلی روی سازه مذکور که همگی از جنبه هیدرولیکی بوده است اشاره دارد در مدل ترکیبی سرریز – دریچه استوانه‌ای، ضریب دبی در هریک از بخش ‌های سرریز و دریچه ( ضریب دبی مهم‌ترین پارامتر هیدرولیکی در طراحی سرریز- دریچه می باشد) نسبت به کاربرد جداگانه آن‌ها کاهش می‌یابد. از طرفی علاوه بر پارامترهای هیدرولیکی موثر بر ضریب دبی که قبلا توسط محققین پیشین به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است، پدیده‌های هیدرودینامیکی مانند جدایش جریان، ریزش گردابه، محل همگرایی لایه برشی عبوری از دو طرف سازه و... که به‌دنبال هیدرواستاتیک نبودن فشار روی بدنه سازه هنگام عبور جریان به‌وجود می‌آیند، می توانند نقش بسزا و تعیین کننده ای بر ضریب دبی، آبگذری و سایر خصوصیات جریان عبوری داشته باشند. لذا به منظور بررسی تغییرات نقطه جدایش در روی سازه و زیر سازه، محل وقوع همگرایی لایه مرزی جداشده از دو طرف، پروفیل سرعت در رو و پایین دست سازه و همچنین اندازه دنباله با تغییرات میزان بازشدگی، آزمایشاتی با استفاده از تکنیک سرعت سنجی ذرات به روش تصویر برداری(PIV) انجام، نتایج بررسی و تحلیل شد.
مواد روش‌ها:
آزمایش‌ها در آزمایشگاه هیدرودینامیک دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه چکوروا ترکیه، با استفاده از تکنیکPIV روی استوانه ای با قطر 50 میلی‌متر و پنج بازشدگی متفاوت 1/0- 5/0 قطر انجام شد.. برای کلیه آزمایش‌ها، عمق آب بالادست و سرعت ورودی ثابت و برابر با 150 میلی‌متر و 58/0 متر بر ثانیه بود.
یافته‌ها و نتیجه‌گیری
نتایج نشان داد برای تمام نسبت‌های باز شدگی دریچه به قطر سازه، محل وقوع جدایش جریان از بدنه سازه در قسمت دریچه و سرریز متفاوت بوده و در حالت دریچه جدایش زودتر رخ می‌دهد به طوری که در محدوده آزمایش‌ها بیشترین و کمترین اختلاف زاویه انحراف جدایش سرریز و دریچه از همدیگر 40، 3 درجه می‌باشد. با افزایش بازشدگی از 1/0 قطر به 4/0 فاصله افقی نقطه وقوع همگرایی دو لایه مرزی جداشده نسبت به سازه کمتر می‌شود و همچنین افزایش بازشدگی سبب نوسانات در راستای عمودی محل وقوع نقطه همگرایی شده که در محدوده بازشدگی‌های این تحقیق محل وقوع نقطه ، بین 1/0 تا 15/0 قطر نسبت به محور افقی عبوری ازمرکز استوانه انحراف قائم داشته و در تمام حالت ها زیر محور مذکور قرار می‌گیرد. برای تمام بازشدگی‌ها تا فاصله‌ای به اندازه قطر سازه از پشت سرریز- دریچه، پروفیل سرعت در راستای محور ( ) و ( ) شدیدا تحت تاثیر عوامل هیدرو دینامیکی است. در روی سرریز- دریچه با افزایش زاویه از صفر تا 90 درجه( با حرکت به سمت تاج) نسبت سرعت ماکزیمم به سرعت ورودی افزایش یافته به طوری که در تاج حدود 27 درصد نسبت به نقطه صفر افزایش مشاهده می‌گردد ولی بعد از تاج دچار نوسانات افزایش و کاهش می-گردد و این نوسانات در بازشدگی برابر با نصف قطر سبب می‌شود تا مقدار بی بعد سرعت ماکزیمم به سرعت ورودی در نزدیکی نقطه جدایش، حدود 17 درصد نسبت به تاج کاهش یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of gate opening differences on separation point, wake size and velocity distribution of submerged cylindrical weir-gate

نویسندگان [English]

  • Mohammad Gharahgezlou 1
  • Mohsen Masoudian 2
  • Besir Sahin 3
  • Esmaeil Kordi 4
1 sari agriculture university
چکیده [English]

Background and objectives:
The combination of weir and gate creates a new structure, resolve some the defects of using them separately, such as the simultaneous flow pass of deposits under gate and suspended material over the weir, also benefits the ability of vertically movement and making different gate openings according to the changes of the discharge, control the water level more accurate and adjust constant head of water for the side channel. Likewise, the cylindrical weir-gate, as one the weir-gate’s type, has various advantages like higher discharge coefficient and lower energy loss. Researchers have been conducted on the hydraulic aspects of this structure state that the discharge coefficient of combined model of cylindrical weir-gate (discharge coefficient is the most important hydraulic parameter of designing the weir-gates), decreases in each parts of weir and gate, regarding to their separated function. On the other hand, in addition to effective hydraulic parameters on discharge coefficient, extensively have been studied by previous researchers, hydrodynamic phenomena such as flow separation, vortex shedding, the convergence point of shear layer passing through the both sides of the structure and etc., resulting from the assumption of hydrostatic pressure on the structure body, play a crucial role in discharge coefficient, discharge rate and other flow characteristics. Therefore, in order to investigate the changes of separation points under and above the structure, the convergence point of boundary layer of the both sides, velocity distribution above and at the downstream of the structure, as well as the size of the wake with gate opening, a series of runs using the technique of particle imaging velocimeter (PIV) were carried out, and the results were analyzed.
Materials and methods:
The experiments were conducted at the hydrodynamics laboratory of mechanical engineering department of Çukurova University using the PIV technique on a cylinder with a diameter of 50 mm for five different relative gate opening between 0.1-0.5 (ratios of the gate opening to the cylinder diameter). Besides, for all the tests, the upstream water depth and entrance velocity were constant:150 (mm) and 0.58 (m/s) respectively.
Results and conclusion:
The results show for all ratios of the diameter to gate opening, the separation point of flow from the body of the structure was different in function as gate and weir parts and the separation occurs earlier as gate, so that, at the test range, the maximum and minimum of the separation angle’s deviation of the weir and gate were40 and 3 degrees. As the gate opening increases from 0.1D to 0.4D, The horizontal distance between the convergence point of two separated boundary layer to structure would be less. As well, the gate opening increasing cause fluctuations in vertical direction of the convergence point, the convergence point (S), in the opening range of the current study, had the vertical deviation between 0.1 to 0.15 D to horizontal axis crossing the cylinder center and locates under the axel in all cases. The velocity profile along the X-axis (u/Uo) and (v/U0) Y for all the gate openings to a distance equal to the diameter of the structure behind of it, is strongly affected by hydrodynamic factors. Above the weir-gate while the angel increase from 0 to 90 degrees, the ratio of maximum velocity to the entrance velocity rises, so that, at the crest level and increasing about 27 percent compared to the zero point could be observed, but in the higher levels, exhibits fluctuation and this fluctuations in the gate opening equal to 0.5D causes the dimensionless value of maximum velocity to entrance velocity near the separation point is about 17 percent compared to values obtained the crest level.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cylindrical weir-gate
  • separation point
  • wake
  • velocity distribution
  • gate opening
.Akilli, H., Sahin, B., and Tumen, N.F. 2005. Suppression of vortex shedding of circular.1.
cylinder in shallow water by a splitter plate. J. Flow Measure. Ins. 16:4. 211-219.
2.Alper Oner, A., SalihKirkgoz, M., and Sami Akoz, M. 2008.Investigation of a current with a
circular cylinder near a rigid bed. J. Ocean Engin. 35: 1. 1492-1504.
3.Bearman, P.W., and Zdravkovich, M.M. 1978. Flow around a circular cylinder near a plane
Boundary. J. Fluid Mechanic. 89: 1. 33-47.
4.Fendereski, N., Masoudian, M., Kordi, E., Röttcher, K., and Gharahgezlou, M. 2014.
The hydraulic investigation of perforated-Cylindrical-Intake structure. J. Civil Engin. Urban.
4: 5. 509-514.
5.Gharahgezlou, M. 2012. Combined flow in cylindrical weir and gate. Agricultural Science and
Natural Resources University, Press, 91p. (In Persian)
6.Gharahgezlou, M., Masoudian, M., Haber, B., and Salehi Neyshaboury, S.A. 2013. Effect
of weir flow on gate discharge in combined cylindrical weir- gate. J. Irrig. Water Sci.
11: 1. 86-95. (In Persian)
7.Gharahgezlou, M., Masoudian, M., Salehi Neyshaboury, S.A., Nadery, F., and Severi, A.
2013. Laboratory investigation of combination of cylindrical and semi cylindrical weir-gate
model in a small canal. J. Water Soil Cons. 20: 1. 185-198. (In Persian)
8.Lei, C., Cheng, L., and Kavanagh, K. 1999. Re-examination of the effect of a plane boundary
on force and vortex shedding of a circular cylinder. J. Wind Engin. Ind. Aerodynamic.
80: 2. 63-86.
9.Masoudian, M., Fendreski, N., and Gharahgezlou, M. 2013. Studying of cylindrical weir-gate
and determine its relation with separate weir and gate discharge coefficient. J. Water Engin.
6: 1. 151-162. (In Persian)
10.Masoudian, M., Gharahgezlou, M., Fendreski, N., and Nadery, F. 2014. Laboratory
investigation of flow over and under a submerged cylindrical weir-gate in small canals.
J. Water Soil Cons. 21: 3. 221-235. (In Persian)
11.Nezu, I., and Rodi, W. 1985. Experimental study on secondary currents in open channel
flow. Proc., 21st IAHR congress, Pp: 114-9.
12.Nezu, I., Nakagawa, H., and Rodi, W. 1989. Significance difference between secondary
currents in closed channels and narrow open channels. Proc. 23rd IAHR congress, Pp: 125-32.
13.Ozgoren, M., Okbaz, A., Dogan, S., Sahin, B., and Akilli, H. 2013. Investigation of flow
characteristics around a sphere placed in boundary layer. J. Exp. Ther. Fluid Sci. 44: 1. 62-74.
14.Rong, Q., Guoya, L., Jian, W., and Zhang, X. 2005. Study of vortex characteristics of
the flow around a horizontal circular cylinder at various gap-ratios in the cross-flow.
J. Hydrodynamic. 18: 3. 334-340.
15.Sami Akoz, M., Sahin, B., and Akilli, H. 2010. Flow characteristic of the horizontal cylinder
placed on the plane boundary. J. Flow Measure. Ins. 21: 1. 476-487.