بررسی افت انرژی در سرریزهای پلکانی با وجود موانع روی پله ها با کمک مدل فیزیکی و مدل ریاضی Flow-3D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آب واحد اهواز

2 گروه علوم ومهندسی آب واحد اهواز، دانشگاه آزاداسلامی، اهواز، ایران

3 عضو هیات علمی گروه مهندسی آب دانشگاه آزاد اسلامی

چکیده

سابقه و هدف: برای عبور آبهای اضافی و سیلابها از سراب به پایاب سدها از سازه‌ای به نام «سرریز» استفاده می‌‌شود. سرریز باید سازه‌ای قوی، مطمئن و با کارآیی بالا انتخاب شود که هرلحظه بتواند برای بهره‌برداری آمادگی داشته باشد. سرریزهای پلکانی بعنوان گزینه‌ای مناسب برای اصلاح سرریزهایی که برای عبور دبی حداکثر محتمل با مشکل روبرو هستند مطرح می‌شوند. سرریز پلکانی متشکل از پله هایی است که از نزدیکی تاج سرریز شروع شده و تا پاشنه پایین دست ادامه دارند. با افزایش زبری، انرژی جریان عبوری از روی سرریز بصورت یکنواخت وپیوسته پراکنده می‌شود، و دیگر در پنچه سرریز نیازی به ایجاد تاسیسات کاهنده انرژی جریان نظیر حوضچه های آرامش (که انرژی در آن باید یکباره پراکنده شود) نخواهد بود و یا در صورت لزوم ابعاد این گونه سازه ها کاهش خواهد یافت.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق برای افزایش زبری از موانعی بر روی سرریز پلکانی استفاده شد که برای بیشتر کردن استهلاک انرژی آب استفاده می‌گردد. جهت بررسی آزمایشگاهی این تحقیق، از یک فلوم با قوس 90درجه در دانشگاه آزاد واحد اهواز استفاده شد و با انتخاب مدلهای مختلف موانع روی سریز پلکانی در سه شکل با سه طول و عرض متفاوت و همچنین استفاده موانع به صورت تکی و ترکیبی با 5 دبی متفاوت، جمعا 140 آزمایش انجام شد. پس از تحلیل نتایج مشخص گردید که در ترکیب سرریز پلکانی با موانع به ترتیب مثلثی، مستطیلی و ذوزنقه‌ای، باعث کاهش استهلاک و افت انرژی شد.
یافته‌ها: موانع مثلثی به طور متوسط باعث افزایش 15.9 درصدی استهلاک انرژی، موانع مستطیلی به طور متوسط باعث افزایش 13.7 درصدی استهلاک انرژی و موانع ذوزنقه ای به طور متوسط باعث افزایش 11.2 درصدی استهلاک انرژی نسبت به مدل شاهد شده اند. با افزایش طول و عرض موانع باعث افزایش استهلاک و افت انرژی شد. موانع در حالت دو پله بیشترین استهلاک انرژی و افت را داشته. با ترکیب موانع بر دو پله سرریز پلکانی به طور متوسط 14.4 درصد، در موانع به حالت تکی در پله اول به طور متوسط 5.8 درصد و موانع بر پله دوم 4.8 درصد افزایش استهلاک انرژی را نسبت به حالت شاهد دارد. با افزایش عدد فرود از 0.32 به 1.71 شاهد کاهش استهلاک و افت انرژی هستیم که به دلیل استغراق پله‌های زیر سطح آب و کاهش زبری پله‌ها و با افزایش شدت پدیده ورود هوا می‌باشد که در استهلاک انرژی تاثیر می‌گذارد. نتایج شبیه سازی با مدل ریاضی Flow-3D نزدیک به مدل فیزیکی می‌باشد و به طور متوسط تنها 6.3 درصد خطا دارد که قابل قبول می‌باشد.
نتیجه گیری: پس از تحلیل نتایج مشخص گردید که در ترکیب سرریز پلکانی با موانع به ترتیب مثلثی، مستطیلی و ذوزنقه‌ای، شاهد کاهش استهلاک و افت انرژی هستیم. همچنین مقایسه نتایج شبیه سازی و مدل فیزیکی نشان می‌دهد با افزایش عدد فرود نتایج شبیه سازی با مدل ریاضی Flow-3D انحراف کمتر با مدل فیزیکی پیدا می‌کندو به واقعیت نزدیکتر می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of energy loss in step-spillway with obstacles on the step using physical and Flow-3D model

نویسندگان [English]

  • Amirabbas Kamanbedast 1
  • hamidreza afshoon 2
  • Alireza Masjedi 2
  • Mohammad Heidarnejad 3
  • Amin Bordbar 2
1 IAU,Ahvaz
2 Department of Water Sciences and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
3 IAU,Ahvaz
چکیده [English]

Background and aim: To pass the excess water and floodwaters from upstream to downstream of the dams, a structure called "spillway" is used. This structure is vital and integral as they should be ready for operation at any moment. Stepped spillways are introduced as a viable option for improvement of spillways facing problem when flowing the possible maximum flow rate. Stepped spillways consist of stairs which start near the crown and continue to lower heels. Increase of roughness leads to a uniform and continuous distribution energy of the flow over the spillway. This is of great benefit for designers as there is no longer need to the toe of the spillway to create facilities reducing flow energy such as stilling basins.
Materials and Methods: In this study, to increase the roughness on the stepped spillway, barriers are used to increase the energy dissipation. For experimental tests, a flume with a 90 degree bend was used in Islamic Azad University of Ahvaz (IAU-A) and several different types of barriers on the stepped spillway in three shapes with three different lengths and widths as well as using barriers individually and in combination, with 5 different flow rates, a total of 140 tests were performed. After analyzing the results, it was found that in the stepped spillway combined with respectively a triangular, rectangular, and trapezoidal barrier, a decrease in dissipation and energy loss is observed. Result: Triangular barriers, on average, increase the energy consumption by 15.9%, rectangular barriers, on the average, increase the energy consumption by 13.7% and tipping barriers by an average 11.2% increase in energy depreciation compared to the control model. An increase in the length and width of the barriers results in an increase in dissipation and energy loss. The two-step barriers have the highest energy dissipation and loss. By combining barriers on the two-stair stepped spillway, there is an average of 14.4 percent increase in energy dissipation. Based on the observations, rise in the Froude number from 0.32 to 1.71 leaded to a decrease in dissipation and energy losses which is due to the immersion of the stairs below the water level and the reduction of the roughness of the stairs and with the increase of the intensity of the inflow phenomenon. The simulation results with the Flow-3D math model are close to the physical model, and on average only 6.3% of errors are acceptable.
Conclusion: After analyzing the results, it was found that in the combination of stepped spillway with triangular, rectangular and trapezoidal obstacles, we see a decrease in energy depreciation and energy loss. Also, comparing the simulation results and the physical model shows that the Flow-3D mathematical model find less bias with the physical model and closer to reality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Barriers
  • stepped spillway
  • energy dissipation
  • physical model
  • Flow-3D
1.Abbasi, S., and Kamanbedast, A.A.
2012. Investigation of Effect of
Changes in Dimension and Hydraulic of
Stepped Spillways for Maximization
Energy Dissipation, World Appl. Sci. J.
18: 2. 261-267, 2012, ISSN 1818-4952 ©
IDOSI Publications.
2.Chamani, M.R., and Rajaratnam, N.
1994. Jet flow on stepped spillway,
J. Hydr. Engin. ASCE. 12: 5. 441-448.
3.Chamani, M.R., and Rajaratnam, N.
1999. Charactristics of skimming flow
over stepped spillway, J. Hydr. Engin.
125: 4. 361-367.
4.Chanson, H. 1994a. Hydraulics of
skimming flows over stepped channels
and spillways, J. Hydr. Res. 32: 3.
5.Chanson, H. 1994b. Comparison of
Energy dissipation between nappe and
skimming flow Regimes on stepped
chutes, J. Hydr. Res. 32: 2. 213-218.
6.Chanson, H. 1994c. Jet flow on stepped
spillways, Discussion, J. Hydr. Engin.
120: 2. 443-444.
7.Chanson, H. 1995. Hydraulic Design of
stepped Cascades Channels Weirs and
Spillway, Pergamon, Oxford, UK.
8.Chanson, H. 2001. The hydraulic of
stepped chutes and spillway, TC. 555,
C. 4623.
9.Chinnarasi, C., and Wongwisess, S. 2006.
Flow patterns and energy dissipation over
various stepped chutes, J. Irrig. Drain.
Engin. ASCE. 132: 1.
10.Erfanian Azmodeh, M.H., and
Kamanbedast, A.A. 2013. Determine the
Appropriate Location of Aerator System
on Gotvand olia dam's Spillway Using
Flow 3D. JAES.
11.Essery, I.T.S., and Horner, M.W. 1971.
The hydraulic design of stepped
spillway, Report 33, Constr. Industry
Res. And Information Assoc. London,
England.
12.Kamanbedast, A., and Gholizade, B.
2012. The study of siphon spillway
Hydraulic by Modeling (physical a
software), J. Appl. Sci. Res.
13.Kamanbedast, A. 2012. The Investigation
of Discharge Coefficient for the
Morning Glory Spillway Using
Artificial Neural Network, World Appl.
Sci. J. 17: 7. 913-918.
14.Kamanbedast, A. 2014. Handbook of
hydraulic structures engineering.
Published in Islamic Azad University,
Ahvaz, Iran. (In Persian)
15.Rajaratnam, N. 1990. Skimming flow in
stepped spillway, J. Hydr. Engin. ASCE.
116: 4.
16.Zaretsky, Y., and Korchevsky, V. 1997.
Kowsar dam project (Tang-e-Duk),
Joint final report, International institute
of geo mechanics and hydro structures,
Moscow, Russia.