بررسی آزمایشگاهی تاثیر شکل کلاسترهای مختلف بر ضریب مقاومت جریان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیات علمی دانشگاه زنجان

2 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان

3 استادیار - گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی - دانشگاه شهرکرد

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: بررسی ضریب مقاومت در جریان‌ها به ویژه در جریان‌های آزاد، کانال‌ها و رودخانه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از عوامل تاثیر گذار بر مقاومت جریان شکل بستر در آبراهه‌ها می‌باشد. ریزساختار‌های کلاستری از جمله شکل‌های بستر در رودخانه‌های مناطق کوهستانی می‌باشند که از نظر بیولوژیک و همچنین هیدرولیک ریزجریان‌ها (جریان‌های ثانویه) حائز اهمیت هستند. مطالعه در زمینه شناخت و تاثیرات کلاستر‌ها در سرتاسر دنیا بسیار نوپا بوده است. هدف پژوهش حاضر بررسی آزمایشگاهی تاثیر شکل کلاستر و اندازه ذرات سازنده کلاسترها بر ضریب زبری جریان می‌باشد.
مواد و روشها: برای بررسی تاثیر شکل و اندازه ذرات تشکیل دهنده کلاسترها، آزمایشهایی در یک کانال آزمایشگاهی به طول 20 متر، عرض6/0 متر و ارتفاع 6/0 متر انجام گرفت. با استفاده از ذرات سنگریزه با سه اندازه متفاوت 5/9، 5/12، 5/15 میلی‌متری درفلوم آزمایشگاهی، کلاسترهای با شکل‌های کپه‌ای، خطی و حلقه‌ای ساخته و مورد بررسی قرار گرفتند. دو ضریب زبری دارسی ویسباخ و مانینگ با استفاده از اندازه گیری شیب سطح آب محاسبه گردیدند.
یافته‌ها: نتایج پژوهش حاضر نشان داد که کلاسترهای خطی شکل دارای کمترین تاثیر بر میزان ضریب مقاومت جریان هستند. کلاسترهای حلقه‌ای و کپه‌ای دارای ضریب زبری بیشتری نسبت به کلاستر خطی هستند لیکن هر دو تقریبا دارای تاثیر یکسانی بر مقاومت جریان هستند. نتایج این دو شکل از کلاستر، برای ذرات 5/9 و 5/12 میلی‌متری بسیار نزدیک به هم بوده ولی برای ذرات 5/15 میلی‌متری ضریب زبری کلاستر کپه‌ای بالاتر از ضریب زبری اشکال دیگر است. همچنین با افزایش قطر ذرات سنگریزه سازنده کلاسترها میزان ضریب زبری مانینگ افزایش پیدا می‌کند. با انجام آزمایش‌ها با ذرات سنگریزه با قطرهای مختلف، درصد تغیرات ضریب زبری نسبت به حالت بدون کلاستر برای کلاستر کپه‌ای در ذرات 5/9، 5/12 و 5/15 میلی‌متر به ترتیب 47، 52 و 75 بوده است. برای کلاسترهای حلقه‌ای شکل و ذرات5/9، 5/12و 5/15 میلی‌متری درصد تغییرات به ترتیب 48، 49 و 75درصد بدست آمدند و این درصد برای کلاسترهای خطی شکل برای ذرات 5/9 میلی‌متری19 درصد و ذرات 5/12 و 5/15میلی‌متری به ترتیب 37 و 67درصد مشاهده شدند که نشان دهنده افزایش مقاومت جریان با افزایش اندازه قطر ذرات است. همچنین نتایج نشان داد که در آزمایش‌ها افزایش عدد فرود موجب کاهش ضریب زبری می‌گردد.
نتیجه‌گیری: نتایج بدست آمده از آزمایش‌ها این نکته را به خوبی روشن ساخت که بسترهای کلاستری با اثر گذاری بر روی جریان باعث افزایش ضریب مقاومت می‌گردد. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که کلاسترهای کپه‌ای دارای بیشترین اثر بر مقاومت جریان هستند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of the effect of different cluster shapes on resistance coefficient

نویسندگان [English]

  • Masoud Karbasi 1
  • Mohammad Ghasemian 2
  • mahdi asadi 3

2 Water engineering department, Agriculture faculty, University of Zanjan

3 assistant water engimering univercity of shahrekord

چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: It is important to study the coefficient of resistance in streams, especially in open channels, canals and rivers. One of the factors influencing the flow resistance is bed-forms. Cluster microforms are types of bed-forms in mountainous rivers, which are important both in biological and in hydraulic as well as in the secondary currents. Study on the recognition and influence of clusters on flow resistance is novel. The purpose of this study is to investigate the effect of cluster shape and particle size of clusters on the flow roughness coefficients.
Materials and methods: In order to investigate the effect of the shape and size of the particles that forming clusters, experiments were carried out in a laboratory channel of 20 meters in length, 0.6 m in width and 0.6 m in height. Using gravel particles with three different sizes of 9.5, 12.5, 15.5 mm, cluster three cluster types (linear, heap and rings) were constructed in laboratory flume. Two roughness coefficients namely Darcy-Wiesbach and Manning were calculated using the water surface slope measurements.
Results: The results of this study showed that the linear cluster has the least effect on the rate of flow resistance coefficient. The ring and heap clusters have a roughness coefficient greater than the linear cluster, but both have almost same impact on the flow resistance. The results of these two forms of the cluster are very close for particles of 9.5 and 12.5 mm, but for a particle of 15.5 mm, the heap cluster coefficient of roughness is higher than the roughness coefficient of another. The manning’s roughness coefficient is also increased by increasing the diameter of the gravel particles of the cluster builder. By performing experiments with gravel particles of different diameters, the percentage of change in roughness coefficient relative to the non-cluster state for cluster clumps in particles of 9.5, 12.5 and 15.5 mm was 47, 52 and 75, respectively. For rings and particles of 9.5, 12.5 and 15.5 mm, the percentage changes were 48, 49 and 75 percent, respectively, and the percentage for linear clusters for particles of 9.5 and 19 percent, and particles 5 / 12 and 15.5 mm were observed at 37 and 67% respectively, indicating an increase in the flow resistance with an increase in the particle diameter. Also, the results showed that increase in Froude number would decrease the roughness coefficient.
Conclusion: The results of the experiments made it clear that the cluster affect the flow resistance by increasing it. The results of this study showed that the heap cluster has the most effect on flow resistance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • roughness coefficient
  • microform cluster
  • linear cluster
  • cobble cluster
  • cluster ring
 1.Bahrami Yarahmadi, M., and Shafai Bejestan, M. 2011. Experimental Study of the Effect of
Sediment Particles Shape on Manning's Coefficient. J. Water Soil. 25: 1. 51-60. (In Persian)
2.Bathurst, J.C. 1985. Flow resistance estimation in Mountain Rivers. J. Hydr. Engin.
111: 4. 625-643.
3.Biggs, B.J., Duncan, M.J., Francoeur, S.N., and Meyer, W.D. 1997. Physical characterization
of microform bed cluster refugia in 12 headwater streams, New Zealand. New Zealand
J. Mar. Freshwater Res. 31: 4. 413-422.
4.Brayshaw, A.C., Frostick, L.E., and Reid, I. 1983. Hydrodynamics of particle clusters and
sediment entrainment in coarse alluvial channels. Sedimentology. 30: 1. 137-143.
5.Buffington, J.M. 1995. Effects of hydraulic roughness and sediment supply on surface
textures of Gravel-bed Rivers (Master's thesis, University of Washington).
6.Dal Cin, R. 1968. “Pebble clusters”: Their origin and utilization in the study of paleo currents.
Sedimentary Geology. 2: 4. 233-241.
7.Esmaili, K., Kashefipour, S.M., and Shafaie Bajestan, M. 2009. The Effect of Bed Form on
Roughness Coefficient in Unsteady Flows Using a Combined Numerical and Laboratory
Method. J. Water Soil. 23: 3. 136-144. (In Persian)
8.Heays, K.G., Friedrich, H., and Melville, B.W. 2014. Laboratory study of gravel-bed cluster
formation and disintegration. Water Resources Research, 50: 2227-2241.
9.Hemmatti, M., and Vafa, M. 2016. Investigation on the effect of gravel particles shape on
Manning s roughness coefficient in Mountain Rivers. Applied research in irrigation and
drainage structures engineering. 17: 66. 15-30. (In Persian)
10.Karbasi, M., Omid, M.H., and Farhoudi, J. 2011. Experimental investigation of 3D flow over
cluster microforms. Iran. J. Irrig. Water Engin. 2: 5. 75-85. (In Persian)
11.Karbasi, M., Omid, M.H., and Farhoudi, J. 2012. Prediction of cluster bed-forms formation
over gavel-bed Rivers. Iran. Water Res. J. 6: 10. 1-9. (In Persian)
12.Laronne, J.B., and Carson, M.A. 1976. Interrelationships between bed morphology and
bed-material transport for a small, gravel-bed channel. Sedimentology. 23: 1. 67-85.
13.Mianaee, S.J., Keshavarzi, A., and Sistani, B. 2008. Modeling erosion and deposition of
particles on ripples using image processing technic. 4th national conference of civil
engineering (University of Tehran). (In Persian)
14.Millar, R.G. 1999. Grain and form resistance in gravel-bed Rivers. J. Hydr. Res.
37: 3. 303-312.
15.Papanicolaou, A.N., and Schuyler, A. 2003. Cluster evolution and flow-frictional
characteristics under different sediment availabilities and specific gravity. J. Engin.
Mechanic. 129: 10. 1206-1219.
16.Papanicolaou, A.N., Strom, K., Schuyler, A., and Talebbeydokhti, N. 2003. The role of
sediment specific gravity and availability on cluster evolution. Earth Surface Processes and
Landforms. 28: 1. 69-86.
17.Reid, I., and Hassan, M.A. 1992. The influence of microform bed roughness elements on
flow and sediment transport in Gravel-Bed Rivers: a reply. Earth Surface Processes and
Landforms. 17: 5. 535-538.
18.Strom, K.B., and Papanicolaou, A.N. 2008. Morphological characterization of cluster
microforms. Sedimentology. 55: 1. 137-153.
19.Teisseyre, A.K. 2013. Pebble clusters as a directional structure in fluvial gravels: modern and
ancient examples. Geologia Sudetes. 12: 2. 79-90.
20.Wittenberg, L., and Newson, M.D. 2005. Particle clusters in Gravel-bed Rivers: an
experimental morphological approach to bed material transport and stability concepts. Earth
Surface Processes and Landforms. 30: 11. 1351-1368.