مدل‌سازی فیزیکی تأثیر طول مهارهای انعطاف‌پذیر موانع شناور کروی بر خصوصیات پرش هیدرولیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 اهواز - دانشگاه شهید چمران اهواز، گروه سازه‌های آبی

2 اهواز-دانشگاه شهید چمران اهواز-دانشکده مهندسی علوم آب

چکیده

سابقه و هدف: پرش هیدرولیکی یکی از مهمترین پدیده‌های متغیر سریع در استهلاک انرژی جریان‌های پر سرعت می‌باشد که در فاصله کوتاه رژیم جریان را از فوق بحرانی به زیر بحرانی تبدیل می‌کند و منجر به کاهش انرژی جنبشی و افزایش عمق می‌شود. هدف از این تحقیق بررسی خصوصیات پرش هیدرولیکی در قالب مطالعه آزمایشگاهی بر روی بسترصاف و همراه با موانع شناور متصل به کف با طول‌های مهاری مختلف بوده‌است که درنهایت به مقایسه نتایج به دست آمده از این پژوهش با سایر پژوهش‌ها پرداخته شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش‌‌ها در یک کانال با دیواره شفاف و به طول 8 متر و عرض و ارتفاع به ترتیب 35 و40 سانتی‌متر انجام شد. به منظور ایجاد پرش هیدرولیکی دیواره کانال در بخش ابتدایی به 80 سانتی‌متر افزایش داده شد و یک سرریز با زاویه 30 درجه و ارتفاع 40 سانتی متر نصب شد. در ادامه برای مدل‌سازی موانع شناور، قطر کاربردی موانع به صورت ثابت برابر با 4 سانتی‌متر در نظر گرفته شد. برای تفسیر و تحلیل هر یک از پارامتر‌های مؤثر آنالیز ابعادی با استفاده از تئوری پی باکینگهام انجام گرفت و در مجموع 30 آزمایش با متغیر‌های طول مهار و عدد فرود که شامل 5 طول مهار 0 ، 5/1 ، 5/2 ،5/3 ، 5/4 سانتی‌متر و محدوده اعداد فرود 1/5 تا 3/8 انجام شد.
یافته‌ها: بر اساس تحلیل‌های انجام شده یکی از نتایج مهم در تحقیق حاضر این است که انعطاف‌پذیری و نوسان در موانع کاربردی به عنوان مستهلک کننده‌ی پرش هیدرولیکی، باعث افزایش افت انرژی مازاد می‌گردد. این در حالی است که با افزایش طول‌های مهاری موانع، بخش بیشتری از مومنتم جریان ورودی جذب موانع می‌شود. که البته این موضوع برای محدوده‌ی اعداد فرود 1/5الی 5/7 اثر بیشتری دارد.
نتیجه گیری: نتایج نشان داد که افت انرژی با استفاده از موانع به طور متوسط حدود 69 درصد بوده که تقریباً 2/10 درصد نسبت به بستر صاف افزایش یافته است. طول پرش هیدرولیکی و عمق ثانویه نسبی به ترتیب به طور متوسط 36 و 5/19 درصد نسبت به حوضچه‌ی کلاسیک کاهش یافتند. مشاهدات بیانگر آن است که طول مهار بر روی خصوصیات پرش هیدرولیکی تاثیر گذار است به طوری که در اثر تغییر طول مهار در بازه اعداد فرود 1/5 تا 3/8 مقادیر طول پرش هیدرولیکی و عمق ثانویه نسبی به ترتیب حداکثر تا 1/19 و2/15درصد اختلاف در نتایج نشان می‌دهند و میزان اختلاف افت انرژی بین طول مهار 5/4 سانتی‌مترو طول مهار صفر حداکثر 6/10درصد به صورت افزایشی بوده‌است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of the Floating Sphere Objects Flexible Bearing Length on the Characteristic of the Hydraulic Jump

چکیده [English]

Abstract
Background and Objectives: The hydraulic jump is one of the applicable phenomenons in energy dissipation of rapid flows. The hydraulic jump is one of the rapid varied flows that with converting from the super-critical state of flow to the sub-critical state in a short distance results in sensible energy dissipation and increase of the flow depth. In this experimental study the hydraulic jump is formed on the smooth bed and the bed with attached floating objects. A set of sphere objects with a density lower than the density of the water were attached to the bed, where the bearing length had flexibility. The goal of this study is to investigate the sphere objects bearing length effect on the hydraulic jump length, the relative secondary depth, and relative energy dissipation of hydraulic jump and finally comparing the obtained results with other related work.
Material and Methods: The experiments were performed in a flume with transparent walls, 8 m length, 35 cm width and 40 cm heights. In order to form the hydraulic jump, the height of the walls were extended up to 80 cm in the beginning part of the flume and a shut with 30 degree angle and the height of 40 cm was set up. Then, for modeling the floating objects the size of the applicable diameter of the objects was set to 4 cm. To analyze the effective variables, the dimensional analysis using the Buckingham л-theorem was applied. In total 30 experiments were performed with bearing length and Froude number as variables, where 0 cm, 1.5 cm, 2.5 cm, 3.5 cm, and 4.5 cm were considered as the values of bearing length and 5.1-8.3 was considered as the value interval for the Froude number.
Results: Based on the performed analysis, one of the main achieved results is that the flexibility and the oscillation in the applicable objects as the fixator of the jump results in the increase of energy dissipation while increasing the bearing length, results in the more energy dissipation. However, this effect is more significant for the Froude number between 5.1 - 7.5.
Conclusion: The obtained results show that the energy dissipation using the floating objects in average is around 69% that is approximately 10.2% greater than smooth bed. Additionally, other characteristics of the hydraulic jump were a part of the obtained results based on which, the length of the hydraulic jump and the relative secondary depth, respectively, in average are 35.5% and 19.3% lower than the classic stilling basin. It was observed that the bearing length has a significant effect on characteristics of the hydraulic jump, where as a result of changing the bearing length between the Froude number interval, 5.1-8.3, the jump length and relative secondary depth, respectively, decrease in maximum 19.1% and 15.2% compared to the bearing length of zero that does not have oscillation and in maximum the amount of energy dissipation difference is 10.6% greater than the bearing length of zero.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic jump
  • flexible objects
  • floating objects
  • bearing length
  • Stilling basin
1.Abbaspour, A., Hosseinzadeh Dalir, A., Farsadizadeh, D., and Sadraddini, A.A. 2009. Effect
of sinusoidal corrugated bed on hydraulic jump characteristics. J. Hydro-Environ. Res.
3: 109-117.
2.Asadi, F., Fazloula, R., and Emadi, A. 2017. Investigation the characteristics of hydraulic
jump in a rough bed condition using a physical model. Gorgan, J. Water Soil Cons.
23: 5. 295-306. (In Persian)
3.Badizadegan, R., Saneie, M., and Esmaili, K. 2014. Comparison of Hydraulic Jump
Characteristics on Different Types of Corrugated Beds. Iran. J. Irrig. Drain. 8: 2. 220-232.
(In Persian)
4.Ead, S.A., and Rajaratnam, N. 2002. Hydraulic jumps on corrugated beds. J. Hydr. Engin.
ASCE. 128: 7. 656-663.
5.Eshkou, Z., Ahmadi, A., and Dehghani, A.A. 2015. Experimental investigation of the effects
of block inclinations on the hydraulic jump characteristics in the stilling basin (USBR III).
Gorgan, J. Water Soil Cons. 22: 4. 231-242. (In Persian)
6.Gohari, A., and Farhoudi, J. 2009. The characteristics of hydraulic jump on rough bed stilling
basins. 33rd IAHR Congress, Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver,
British Columbia, August 9-14.1-9.
7.Hughes, W.C., and Flack, J.E. 1984. Hydraulic jump properties over a rough bed. J. Hydr.
Engin. ASCE. 110: 12. 1755-1771.
8.Izadjoo, F., and Shafai Bajestan, M. 2007. Corrugated bed hydraulic jump stilling basin.
J. Appl. Sci. 7: 8. 1164-1169. (In Persian)
9.Clinkenbeard, J.D. 1979. Tethered Float Breakwater. IEEE, Conference of OCEANS '79,
San Diego, CA, USA, 17-19 Sept. 450-453.
10.Leutheusser, H.J., and Schiller, E.J. 1975. Hydraulic jump in a rough channel. J. Water
Power Dam Cons. 27: 5. 186-191.
11.Najandali, A., Esmaili, K., and Farhoudi, J. 2012. The Effect of triangular blocks on the
characteristics of hydraulic jump. University of Mashhad, J. Water Soil. 26: 2. 282-289.
(In Persian)
12.Shafai Bejestan, M., and Nici, K. 2009. Effect of roughness shape on the sequent depth ratio
of hydraulic jump. J. Water Soil Sci. 1: 1. 165-176. (In Persian)
13.Hosseini, S.M., and Abrishami, J. 2013. Hydraulic Open Channel. 31th Edition. Emam-Reza
University Press. Mashhad. Iran. 470p. (In Persian)
14.Peterka, A.J. 1983. Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipator. U.S. Dept. of
The Interior, Bureau of Reclamation, Washington, USA, 225p.
15.Rajaratnam, N. 1968. Hydraulic jumps on rough beds. Trans. Eng. Inst. Canada, 11: 2.1-8.
16.Ravar, Z., Farhoudi, J., and Najandali, A. 2011. Effect of Vertical Trapezoidal Rough Bed on
Hydraulic Jump Characteristics and Energy Loss. University of Mashhad, J. Water Soil.
26: 1. 85-94. (In Persian)
17.Tokyay, N.D. 2005. Effect of channel bed corrugations on hydraulic jumps. Global Climate
Change Conference, EWRI, May 15-19, Anchorage, Alaska, USA, Pp: 408-416.