بررسی اثر بستر نفوذپذیر متخلخل در حوضچه آرامش بر مشخصات پرش هیدرولیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشگاه فرودوسی مشهد

2 دانشیار دانشگاه فردوسی مشهد

3 گروه مهندسی آب-دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

سابقه و هدف: یکی از کاربردهای مهم پرش هیدرولیکی کنترل فرسایش پایین دست کانال از سیستم های انتقال آب با سرعت بالا مانند تنداب ها و سرریزها بوسیله مستهلک کردن مقدار زیادی از انرژی جنبشی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش می باشد. حوضچه های آرامش معمولا از بتن صاف و نفوذ ناپذیر ساخته می شوند که این امر مشکلاتی از نظر زیست محیطی و همچنین هزینه و صعوبت اجرا به دنبال دارد. استفاده از حوضچه های آرامش در کانال های طبیعی پوشش داده شده با ریپ رپ و کانال های سنگی رو به گسترش است. این حوضچه ها ذاتا زبرتر و نسبت به حوضچه های آرامش سنتی نفوذپذیر می باشند. در حال حاضر تاثیر نفوذپذیری کانال بر روی مشخصات پرش هیدرولیکی مانند اعماق مزدوج و طول پرش نامشخص است. در این تحقیق مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش با بستر نفوذپذیر متخلخل به عنوان جایگزینی برای حوضچه های بتنی در اینگونه موارد مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: برای انجام آزمایش‌ها یک کانال آزمایشگاهی به طول 6 متر و عرض 80 سانتی‌متر با جداره شیشه‌ای مجهز به مخزن تأمین هد به ارتفاع 3 متر در ابتدای کانال در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه فردوسی مشهد طراحی و ساخته شد. دبی موردنیاز آزمایش‌ها توسط سیستم آب‌رسانی آزمایشگاه مجهز به پمپ سانتریفیوژ با توان آبدهی 100 لیتر بر ثانیه تأمین گردید. از دو دریچه کشویی در ابتدا و انتهای کانال به‌منظور ایجاد جریان فوق بحرانی، تنظیم عمق پایاب و تثبیت موقعیت پرش استفاده شد. از سه نوع شن خوب دانه‌بندی شده با میانگین قطر دانه‌بندی مختلف در محدوده 8/9 تا 38 میلی‌متر با طول‌ها و ضخامت‌های متفاوت برای ایجاد بستر نفوذپذیر استفاده گردید. آزمایش‌ها برای پنج عدد فرود متفاوت در محدوده 3/5 تا 4/7 انجام شد. عمق اولیه، ثانویه و طول پرش برای هر آزمایش اندازه‌گیری شده و با نتایج حاصل از بستر صاف نفوذناپذیر مقایسه گردید.
یافته‌ها: درمجموع اهداف مختلف موردنظر این تحقیق که در درجه اول شامل ارزیابی اثر بالقوه نفوذپذیری کف حوضچه آرامش بر روی مشخصات پرش هیدرولیکی مانند نسبت اعماق مزدوج و طول پرش بود، به دست آمد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که پارامترهایی مانند میانگین قطر دانه‌بندی بستر حوضچه، طول و ضخامت بستر و عدد فرود جریان بر ابعاد پرش هیدرولیکی و میزان افت انرژی حاصل از آن مؤثرند. نتیجه‌گیری: نفوذپذیری بستر سبب کاهش ابعاد پرش هیدرولیکی شده بطوریکه نسبت اعماق مزدوج در مقایسه با بستر صاف به‌طور میانگین 19 درصد و نیز طول پرش حدوداً 31 درصد کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of porous permeable bed in the stilling basin on the hydraulic jump characteristics

نویسندگان [English]

  • Nima Akbari 1
  • Kazem Esmaili 2
  • Saeed khodashenas 3
1 PhD student of Ferdowsi university of Mashhad
2 Associate professor, Ferdowsi university of mashhad
3 Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

Background and Objectives: An important application of the hydraulic jump has been to control channel scour downstream from high-velocity conveyance systems such as chutes and spillways by dissipating a large portion of the kinetic energy in a hydraulic jump stilling basin. Hydraulic jump stilling basin generally is made of smooth and impermeable Concrete which has environmental, cost and construction problems. It is becoming more common to use hydraulic jump stilling basins in natural rip-rap lined or bound rock channels. These basins are inherently rougher and permeable compared to traditional basins. At present the influence of channel permeability on the hydraulic jump characteristics such as sequent depth and jump length is uncertain. In this research hydraulic jump characteristics in a stilling basin with porous permeable bed as an alternative to concrete basins is studied.
Material and Methods: To conduct the experiments a laboratory flume of 6 meters long and 80 centimeters wide with glass walls, equipped with a head tank up to 3 meters high was designed and built at Ferdowsi University’s hydraulic laboratory. The flow rate required for the experiments was supplied by a centrifuge pump with a capacity of 100 liters per second. Two slice gates were used at the beginning and at the end of the flume to develop super-critical flow, adjust the downstream depth and fix the jump position. Three different types of well-granulated gravel in the range of 9.8 to 38 millimeters with different lengths and thicknesses were used to create the permeable bed. The experiments were carried out for five different Froude numbers within the range of 5.3 to 7.4. For each experiment initial depth, sequent depth and jump length were measured and compared with the results of smooth impermeable bed.
Results: In general the various purpose of this study have been achieved. Primarily, these were to evaluate the potential effects of stilling basin bottom permeability on the hydraulic jump characteristics of sequent depth ratio and jump length. The experiments showed that parameters such as mean grain size of porous bed, length and thickness of the bed and Froude number of upstream flow affect the hydraulic jump dimensions and the energy dissipation caused by the jump.
Conclusion: Permeability of the bed reduces the hydraulic jump dimensions so that the sequent depth ratio is reduced by an average of 19 percent compared to smooth bed and also the jump length is reduced by about 31 percent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stilling basin
  • Permeable bed
  • Porosity
  • Hydraulic jump