برآورد آزمایشگاهی ضریب دبی در آبگیرهای کفی با محیط متخلخل

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا رشته علوم و مهندسی آب دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد.

3 دانشیار گروه علوم و مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد.

چکیده

سابقه و هدف: یکی از روش‌های مناسب برای آبگیری از رودخانه‌های کوهستانی، بکارگیری آبگیر کفی مشبک می-باشد. از اشکال مختلف آبگیرهای کفی که تاکنون کمتر مورد مطالعه قرار گرفته، استفاده از آبگیرهای کفی با محیط متخلخل است که بلحاظ کاهش مشکلات کف‌های مشبک و هزینه کم طراحی و اجرا می‌تواند جایگزین مناسبی برای آبگیرهای کفی مشبک باشد. با توجه به جدید بودن ایده استفاده از آبگیر کفی با محیط متخلخل و محدودیت اطلاعات کافی جهت طراحی و ساخت این نوع آبگیر در پژوهش حاضر سعی شده است با در نظر گرفتن شرایط منطبق بر واقعیت رفتار هیدرولیکی این آبگیرها مورد بررسی قرار گیرد .
مواد و روش‌ها: به منظور مدل کردن آبگیر کفی با محیط متخلخل و انجام آزمایش‌ها از یک کانال آزمایشگاهی با طول 10 متر، عرض 30 سانتی‌متر و ارتفاع 50 سانتی‌متر با جدار شیشه‌ای بعنوان کانال اصلی و کانالی شیشه‌ای با طول 1 متر، عرض 45 سانتی‌متر و ارتفاع 50 سانتی‌متر بعنوان کانال انحراف استف اده شد. جهت تعبیه آبگیر در فاصله 5 متری از ابتدای کانال اصلی با در نظر گرفتن یک فضا خالی به گونه‌ای که در این فضا امکان اجرای سه طول cm45= L3، cm30=L2 ، cm15=L1 ، سه ارتفاع cm20= H3، cm15=H2 ، cm10=H1 و سه شیب %20= S3، %10= S2 ، %0=S1 برای آبگیر فراهم بود، استفاده شد. محیط داخل آبگیر از 4 نوع دانه بندی با قطر متوسط mm 75/17=P4 ، mm 30/15=P3 ، mm 41/13=P2 ، mm72/9 =P1 پرگردید . در هر آزمایش با عبور دبی‌های مختلف از روی آبگیر و اندازه‌گیری میزان دبی انحرافی، نسبت‌های دبی منحرف شده به دبی کل ( ) در مقابل دبی کل جریان بالادست ( ) برای مدل‌های مختلف آبگیر ترسیم و تاثیر پارامترهای مختلف بر میزان دبی منحرف شده توسط آبگیر کف متخلخل مورد بررسی قرار گرفت. برای اندازه‌گیری دبی از سرریزهای لبه تیز مستطیلی واقع در ابتدا و انتهای کانال اصلی استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج آزمایش‌ها حاکی از آن بود که با افزایش دبی ورودی میزان دبی انحرافی افزایش می‌یابد اما نسبت دبی انحرافی به دبی ورودی روند کاهشی دارد. افزایش قطر سنگدانه‌ها محیط آبگیر افزایش دبی انحرافی از آبگیر را بهمراه دارد به گونه‌ای که بیشترین میزان دبی انحرافی مربوط به دانه بندی نوع P4 بود که این امر ناشی از بیشتر بودن فضاهای خالی در این دانه بندی بندی است. افزایش ضریب یکنواختی مصالح داخل آبگیر موجب پرشدن خلل و فرج و کاهش تخلخل و بتبع آن کاهش مجاری عبور جریان و تقلیل دبی انحرافی از آبگیر شد. بررسی دبی انحرافی برای طول و ارتفاعات مختلف آبگیر نشان داد که افزایش طول آبگیر از L1 به L3 و نیز افزایش ارتفاع آبگیر از H1 به H3 موجب افزایش دبی انحرافی می‌گردد. میزان جریان انحرافی با افزایش شیب سطح آبگیر روند کاهشی دارد. این کاهش می‌تواند ناشی از تغییر ناگهانی شیب سطح آبگیر در محل ورود جریان به ناحیه محیط متخلخل و جداشدگی جریان در این ناحیه باشد.
نتیجه‌گیری: بر اساس تحلیل ابعادی و داده‌های بدست آمده از آزمایش‌ها و استفاده از برازش چند متغیره بین پارامترهای بی بعد استخراج شده رابطه‌ای برای محاسبه ضریب دبی آبگیر کفی متخلخل با ضریب تبیین915/0ارائه گردید. مقایسه نتایج ضریب دبی جریان اندازه‌گیری شده و نتایج محاسباتی همبستگی مناسب بین داده‌های آزمایشگاهی و مقادیر ریاضی تخمین شده را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Estimation Discharge Cifficient in New System of Bottom Intake with Porous Media

نویسنده [English]

  • Saeed Reza Khodashenas 2

2 Professor., Dept. of Water Engineering, Ferdowsi University of Mashhad

چکیده [English]

Background and Objectives: Bottom intake is one of the suitable methods for diverting water in mountainous rivers. Different forms of bottom intake, which have so far been less studied, are the use of bottom intake with porous media which can be considered as a suitable substitute for bottom rack intakes due to the reduction difficults of bottom rack and low cost of design and execution. Since the idea of using bottom intake with porous media is new and information is limited to design and construct this kind of intake, the present research tried to consider the condition of the hydraulic behavior of these intakes in accordance with the reality.
Materials and Methods: In order to model a bottom intake with porous medium and conduct experiments, a main flume with the walls of the glass materials in the dimensions of the 10* 0.30* 0.50 cube meter and a diverted flum by the dimensions of the 1* 0.45* 0.50 cube meter was used. To prepar an intake in the distance of 5 m at the beginning of main flume, the space has been considered so that the possibility of conduction is with three length, height and slope (L1=15 cm, L2=30 cm, L3=45 cm) (H1=10 cm, H2=15 cm, H3=20 cm) (S1=0%, S2=10%, S3=20%). The inner surrounding of intake was filled with four different types of gravel with average diameter P1=9.72mm, P2=13.41mm, P3=15.30 mm, P4=17.75mm. In every experiment by passing different discharges over intake,was measured the rate of diverted discharge for different models of intake was drawn and the effect of different parameters on the rate diverted discharge was studied, by bottom porous intake. We used rectangular weir at the end and beginning of main flume to measure discharge.
Results and Conclusions: The results showed that inflow discharge increases the rate of diverted discharge but the proportion of diverted discharge to inflow discharge is on the decrease. By increasing the grain size, the diverted discharge increase, so that grain size P4 has most rate of diverted discharge. It ,s the result of void space increasing in this kind of grain size. By increasing uniform coefficient grain of intake, the porosity and void space of granular material decreases, and consequently diverted discharge decreases between 4 and 6 percent. Researching on diverted discharge with different length and height showed increasing intake length from L1 to L3 for intake with height H1 for P2 (d50=13.41mm) gradation and Qt=12.25 lit/s, the Qd/Qt is increased up to 23 percent. Increasing intake height from 10 cm to 30 cm for intake with length 30 cm for P4 (d50=17.75mm) gradation and Qt=17 lit/s, the Qd/Qt is increased up to 10 percent. By incearsing the slope of intake surface from 0% to 20% , diverted discharge decrease, this kind of decrease is the result of unexpected change in th surface slope of intake and separating flow in the in enterance of porous media intake. The minimum and maximum the rate of diverted discharge in the experiments in this study was 13% and 90% respectively.
Conclusion: The results showed that by increasing the inflow discharge, the diverted discharge increases too; however, for larger values of the discharge, the ratio of the diverted to the upstream flow approaches a final constant value. Grain size of the porous media has a great influence on the diverted flow. By increasing the grain size, the diverted flow increases. By increasing the surface slope of bottom intake with porous media, the diverted flow decreases. Maximum diverted flow occurs at zero surface slope of the intake. Increasing intake length and height, causes increasing in diverted discharge.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bottom intake
  • Discharge cifficient
  • Porous media
  • River intake
> 1.Bina, K., Maghrebi, M.F., and Abrishami, J. 2012. Experimental investigation of discharge
coefficient in mesh panel bottom. J. Water Wastewater. 1: 24-33. (In Persian)
2.Castillo, L.G., García, J.T., and Carrillo, J.M. 2016. Experimental and numerical study of
bottom rack occlusion by flow with gravel-sized sediment. Application to Ephemeral
Streams in Semi-Arid Regions. 8: 1-18.
3.Hosseyni, S.M., and Abrishami, J. 2007. Open channel hydraulics. Press, 17p. (In Persian)
4.Kooroshvahid, F., Esmaili, K., Maghrebi, M.F., Alizadeh, A., and Naghavi, B. 2010. Flow
discharge in bottom intakes with porous media. J. Water Soil. 24: 2. 347-358. (In Persian)
5.Kooroshvahid, F., Esmaili, K., and Naghavi, B. 2011. Experimental study on hydraulic
characteristics of bottom intake with granular porous media. J. Special Topics & Reviews in
Porous Media. 2: 301-311.
6.Kumar, S., Ahmad, Z., Kothyari, U.C., and Mittal, M.K. 2010. Discharge characteristics of a
trench weir. J. Flow Measure. Instrument. 21:80-87.
7.Lund, S. 2005. Inntak til Smakraftverk. M.Sc. Thesis, Department of Hydraulic and
Environmental Engineering., N.T.N.U, Norway.
8.Masjedi, A., and Taeedi, A. 2014. Laboratory study of channel slope and rod diameter effect
on intake discharge coefficient under rack floor condition. J. Sci. Technol. Agric. Natur.
Resour. 18: 67. 301-308. (In Persian)
9.Pouresmaeil, S., and Maghrebi, M.F. 2014. Experimental study on hydraulic characteristics of
porous bottom intake in clear water. J. Water Soil. 28: 1. 35-45. (In Persian)
10.Righetti, M., and Lanzoni, S. 2008. Experimental study of the flow field over bottom intake
racks. J. Hydr. Engin. 134: 15-22.