بررسی آزمایشگاهی ضریب دبی در سازه ترکیبی سرریز مرکب -روزنه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی

2 دانشیار گروه مهندسی آب دانشکاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: سرریزها و روزنه‌ها (دریچه‌ها) از جمله سازه‌های هیدرولیکی هستند که به ترتیب برای کنترل عمق و دبی جریان به‌کار می‌روند. همچنین هر دو سازه به طور وسیع برای اندازه‌گیری دبی جریان نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مهم-ترین دلایل استفاده از این سازه‌ها به‌عنوان وسایل اندازه‌گیری، داشتن رابطه دبی-اشل ساده است. هم‌چنین در مواردی که جریان آب انتقالی حاوی مواد رسوبی و اجسام شناور باشد، ترکیب این دو سازه باعث بهبود عملکرد سیستم می‌شود. یکی از گزینه‌هایی که برای افزایش کارایی سازه ترکیبی سرریز-روزنه قابل استفاده است، ترکیب سرریزهای مرکب با روزنه می‌باشد. مطالعات بسیار محدودی در این زمینه وجود دارد.
مواد و روش‌ها: این پژوهش با هدف بررسی آزمایشگاهی ضریب دبی در سازه ترکیبی سرریز مرکب (مثلثی-مستطیلی)-روزنه انجام شده است. آزمایش‌ها در یک فلوم مستطیلی به طول 10 متر و عرض 40 سانتی‌متر انجام شده است. در این آزمایش‌ها از سرریزهای مثلثی با زوایای 45، 60 و 90 درجه و روزنه‌های مستطیلی استفاده شده است. عرض سرریز مستطیلی 40 سانتیمتر است.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که برای سازه سرریز مرکب در تمامی زوایای مورد مطالعه، با افزایش ارتفاع نسبی سرریز (نسبت هد آب یا بار آبی روی سرریز به ارتفاع سرریز)، ضریب دبی سرریز مرکب افزایش می‌یابد. با وجود تغییرات نسبتاً زیاد بار آبی روی سرریز و نیز زوایای سرریز مثلثی، تغییرات ضریب دبی سرریز مرکب نسبتاً کم بوده و در محدوده 58/0 تا 61/0 تغییر می‌کند. این مسئله بیانگر اهمیت تعیین دقیق این ضریب برای سازه سرریز مرکب است. همچنین مشخص شد که با افزایش زاویه رأس مثلث در سرریزهای مرکب، ضریب دبی این سازه افزایش می‌یابد این در حالی است که با افزایش این زاویه در سرریزهای مرکب-روزنه، ضریب دبی سازه مذکور کاهش می‌یابد. ارتفاع بازشدگی روزنه نیز بر ضریب دبی سازه ترکیبی سرریز مرکب-روزنه موثر است به طوری‌که با افزایش این پارامتر، ضریب دبی سازه ترکیبی کاهش می‌یابد. همجنین مشخص شد که ضریب دبی سازه ترکیبی سرریز مرکب-روزنه تا حدودی کمتر از ضریب دبی این سازه در حالت بدون روزنه است.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج به‌دست آمده از این پژوهش می‌توان بر اساس اطلاعات ساده‌ای مثل هندسه سرریز مرکب و روزنه و نیز عمق جریان در بالادست سازه ترکیبی سرریز مرکب-روزنه، ضریب دبی را با دقت مناسبی محاسبه نموده و این سیستم ترکیبی را با اطمینان در کانال‌های و شبکه‌های آبیاری مورد استفاده قرار داد. در این صورت ضمن کنترل مناسب تراز سطح آب توسط سرریز مرکب، انتقال رسوب معلق وارد شده به کانال نیز از روزنه به خوبی انجام خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of flow discharge coefficient for combined system of compound weirs-orifices

نویسنده [English]

  • Abdolreza Zahiri 2

2 Department of Water Engineering, Water and Soil Faculty

چکیده [English]

Background and Objectives: Weirs and orifices (gates) are the main hydraulic structures for water level and flow discharge control, respectively. They are also extensively used for flow discharge measurement. Having a simple stage-discharge relationship is the most important reason for using these structures as measuring instruments. Also combination of these two structures causes an improvement of system performance, when the flow is heavily sediment-laden or carries considerable loads and floating objects. One of suitable solution that can be used to increase the efficiency of weir-orifice structures is compound weir-orifice. There are very limited investigations in this regard.
Material and Methods: This study has been conducted with the aim of investigating the discharge coefficient for combined compound weir (triangular-rectangular)-orifice structures. Several experiments have been carried out in a rectangular flume with length of 10m and width of 0.40m. Triangular notch weirs with angles of 45, 60 and 90 degrees and rectangular orifices have been used. The width of rectangular weir in upper section is 40cm.
Results: The results of this study showed that for compound weirs in total selected angles, with increasing of weir height ratio (relation of head water on compound weir to the weir height), discharge coefficient of compound weir increases. In spite of high variations of head water on the weir as well as triangle weir's angles, variation in discharge coefficient is very low and changes between 0.58-0.61. This fact defines the importance of precise estimation of discharge coefficient for compound weirs. Furthermore, it was found that by increasing the angle of the triangle weir, the discharge coefficient increases while for compound weir-orifice structure, the discharge coefficient decreases. The opening height of orifice is also effective on the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures so that with increasing of this parameter, discharge coefficient decreases. It is also found that the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures is slightly lower than the discharge coefficient of the compound weirs without orifice.
Conclusion: according to the results obtained in this study, one can properly estimate the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures given the simple data such as geometry of compound weir and orifice and also the flow depth in upstream of the weir and hence, utilize this structure in the main irrigation networks and canals. In this case, the proper control of water surface elevation by compound weir as well as suspended sediment transport through the orifice would be achieved.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Experimental model
  • Combined compound weir-orifice structure
  • Discharge coefficient
  • Triangle weir
 1.Abdel-Azim, M.N., Al-Brahim, A.M., and Alhamid, A.A. 2002. Combined-free flow over
weirs and below gates. J. Hydraul. Res. 40: 3. 359-365.
2.Ackers, P., White, W.R., Perkins, J.A., and Harrison, A.J.M. 1978. Weirs and flumes for flow
measurement. John Wiley and Sons Publications, New York, 327p.
3.Alhamid, A.A., Negm, A.M., and Al-Brahim, A.M. 1997. Discharge equation for proposed
self-cleaning device. J. King Saud Univ., 9: 1. 13-24.
4.American Society for Testing and Materials (ASTM). 1993. Standard method for openchannel flow measurement of water with thin-plate weirs. ASTM D5242. West
Conshohocken, Pa. 250p.
5.Anzani, A. 2014. Experimental investigation of discharge coefficient for curved sharp crested
weirs in plan with different central angles. M.Sc. Thesis, Gorgan University of Agricultural
Sciences and Natural Resources, 85p.
6.Aydin, I., Metin Ger, A., and Hincal, O. 2002. Measurement of small discharges in open
channels by slit weir. J. Hydraul. Eng. 128: 2. 234-237.
7.Balochi, B., and Zeinivand, M. 2012. Experimental investigation of discharge coefficient for
combined structures of weir-orifice in flood conditions. J. Soil Water Sci. 22: 2. 151-164.
(In Persian)
8.Borghei, S.M., Jalili, M.R., and Ghodsian, M. 1999. Discharge coefficient for sharp-crested
side weir in subcritical flow. J. Hydraul. Eng. 125: 10. 1051-1056.
9.Bos, M.G. 1989. Discharge measurement structures. International Institute for Land
Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands, 394p.
10.Chadwick, A., and Morfett, J. 1986. Hydraulics in civil engineering. London; Allen and
Unwin, 512p.
11.EL-Saiad, A.A., Negam, A.M., and Waheed EL-Din, U. 1995. Simultaneous flow over weirs
and below gates. Civil Engineering Research Magazine, 17: 7. 62-71.
12.Esmaeili, K., and Fathi Moqhadam, M. 2006. Discharge coefficient for combined model of
weir-gate. 1st National Conference of Management of Irrigation and Drainage Networks,
Ahwaz, 8p. (In Persian)
13.French, R.H. 1986. Open Channel Hydraulics. Mc Grow Hill Book Company, New York,
620p.
14.Jan, C.D., Chang, C.J., and Lee, M.H. 2006. Discussion of Design and calibration of
compound sharp-crested weir. J. Hydraul. Eng. 132: 8. 868-871.
15.Kindsvater, C.E., and Carter, R.W. 1959. Discharge characteristics of rectangular thin-plate
weirs. Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 124: 772-822.
16.Lenz, A.T. 1943. Viscosity and surface tension effects on V-notch weir coefficients. Trans.
Am. Soc. Civ. Eng. 69: 759-802.
17.Martinez, J., Reca, J., Morillas, M.T., and Lopez, J.G. 2005. Design and calibration of a
compound sharp-crested weir. J. Hydraul. Eng. 131: 2. 112-116.
18.Munson, B.R., Young, D.F., and Okiishi, T.H. 1998. Fundamentals of flows mechanics.
Wiley and Sons, New York, 853p.
19.Negm, A.M., Albarahim, A.M., and Alhamid, A.A. 2002. Combined free flow over weirs
and gate. J. Hydraul. Res. 40: 3. 359-365.
20.Negm, A.M. 1995. Characteristics of combined flow over weirs and under gate with unequal
contractions. 2nd Int. Conf. on Hydro-Science and Engineering, Beijing, China, 8p.
21.Negm, A.M. 2000. Characteristics of simultaneous overflow–submerged underflow: unequal
contractions. Engineering Bulletin, 35: 1. 137-154.
22.Pesaraklo, M., and Emadi, A. 2014. The experimental investigation of combined flow in
sharp crested weir and gate in the state of compound weir. The 2nd National Conference on
Water, Human and Land, 8p. (In Persian)
23.Piratheepan, M., Winston, N.E.F., and Pathirana, K.P.P. 2006. Discharge measurements in
open channels using compound sharp-crested weirs. J. Inst. Engin. 3: 31-38.
24.Rajaratnam, N. 1977. Free flow immediately below sluice gates. J. Hydraul. Div.
103: 4. 345-351.
25.Ramamurthy, A.S., Tadayon, R., and Chen, Z. 2009. Numerical simulation of sharp-crested
weir flow. J. Can. Civil Eng. 36: 9. 1530-1534.
26.Razavian, H., and Heidarpour, M. 2007. The investigation of discharge coefficient for
combined model of the sharp crested weir-orifice. The 6th Iranian hydraulic conference,
Shahrekord University, 9p. (In Persian)
27.Shahabi, M., Bidokhti, N., Dehghani, A.A., and Telvari, A. 2011. Experimental investigation
of flow contraction on scour cone downstream of weir-gate structure. 6th National Civil
Engineering Congress, Semnan University, Iran, 10p. (In Persian)
28.Shirdeli, A. 2006. Discharge coefficient of rectangular openings in submerged condition and
free. The National Conference Management of Irrigation and Drainage Networks, Shahid
Chamran University of Ahwaz, 10p. (In Persian)
29.Swamee, P.K., Ojha, C.S.P., and Kumar, S. 1998. Discharge equation for rectangular slots.
J. Hydraul. Eng. 124: 9. 973-974.
30.Swamee, P.K., Pathak, S.K., and Ghodsian, M. 2001. Viscosity and surface tension effects
on rectangular weirs. ISH J. Hydraul. Eng. 7: 2. 45-50.
31.United States Bureau of Reclamation (USBR). 1963. Compound weir study. Hydraulic
Laboratory Report No. Hyd. 505, 35p.
32.United States Bureau of Reclamation (USBR). 1997. Water measurement manual. 3rd Ed.
Denver, 317p.
33.Yasi, M., and Abbaspour, A. 2005. Flow over sharp-crested, truncated-triangular weirs.
Sci. J. Agric. 28: 2. 165-181. (In Persian)
34.Zahiri, A. 2012. Quasi-two dimensional mathematical model for prediction of flow discharge
over compound sharp-crested weirs. J. Water Soil Cons. 19: 3. 25-47. (In Persian)
35.Zahiri, A., Tang, X., and Azamatulla, H. 2014. Mathematical modeling of flow discharge
over compound sharp-crested weirs. J. Hydro-Environ. Res. 8: 3. 194-199.