توصيفگر ها :
شيب‌شكن قائم , جريان زيربحراني , سكو در پاي شيب‌شكن , مستهلك‌كننده شبكه‌اي , استهلاك انرژي
چكيده فارسي :
شيب‌شكن‌ها در كانال‌هاي داراي شيب بستر زياد با ايجاد اختلاف ارتفاع ناگهاني در كانال‌ها، انرژي جريان را در اثر اختلاط جريان در حال ريزش با جريان شكل‌گرفته در پايين‌دست خود مستهلك كرده و باعث ايمني سيستم‌هاي هيدروليكي پايين‌دست مي‌شوند. بهره‌گرفتن از اين سازه‌ها با هدف دست‌يابي به بيشترين بازدهي استهلاك انرژي و كنترل كامل فرسايش سازه‌هاي پايين‌دست گاه موجب غيراقتصادي شدن احداث اين سازه‌ها مي‌گردد. جهت افزايش بازدهي استهلاك انرژي و كارايي شيب‌شكن‌ها، محققين مختلف سازه‌هاي كمكي از قبيل تبديل همگرا در لبه شيب‌شكن، مستهلك‌كننده شياري و شبكه‌اي در لبه، لبريز مشبك در لبه و سكو در پاي شيب‌شكن را در تركيب با سازه شيب‌شكن قائم پيشنهاد كرده‌اند.
با هدف افزايش كارايي و استهلاك انرژي در شيب‌شكن، مطالعه حاضر به بررسي آزمايشگاهي اثر هم‌زمان مستهلك‌كننده شبكه‌اي در لبه شيب‌شكن و سكو در پاي آن مي‌پردازد. مدل فيزيكي در آزمايشگاه هيدروليك دانشكده مهندسي عمران دانشگاه صنعتي اصفهان ساخته شده است. آزمايش¬ها در كانالي مستطيلي با عرض 4/0، ارتفاع 75/0 و طول 9 متر انجام شده‌اند. از سه شيب‌شكن با ارتفاع‌هاي 2/0، 3/0 و 4/0 متر، 5 مستهلك‌كننده شبكه‌اي با ابعاد شبكه در محدوه 02/0 تا 08/0 متر و 5 سكو با سطح مقطع مربع و مستطيل در محدوده اضلاع 05/0 تا 15/0 استفاده شده است. عمق بحراني نسبي جريان ورودي در بالادست سازه‌هاي بررسي شده در محدوده 15/0 تا 5/0 انتخاب شده است. مشخصات هيدروليكي جريان از قبيل عمق جريان در لبه شيب‌شكن، طول خيس‌شده مستهلك‌كننده شبكه‌اي، عمق و طول استخر شكل گرفته در پاي شيب‌شكن، طول شيب‌شكن و ميزان استهلاك انرژي در اين سازه با ساير سازه‌هاي شيب‌شكن نظير شيب‌شكن ساده، شيب‌شكن با سكو در پاي آن، شيب‌شكن مجهز به مستهلك‌كننده شبكه‌اي و لبريز آزاد و شيب‌شكن مجهز به مستهلك‌كننده شبكه‌اي و تبديل همگرا مقايسه شده است. لازم به ذكر است در تمام آزمايش‌ها از هيچ سيستم هوادهي و كنترل عمق جريان پايين‌دست استفاده نشده است. نتايج تحقيق حاضر نشان داد كه استفاده از سكو در پاي شيب‌شكن موجب افزايش عمق جريان در كانال پايين‌دست و افزايش استهلاك انرژي مي‌شود. بعد طولي سكو بيشترين تأثير را بر افزايش عمق جريان در كانال پايين‌دست و استهلاك انرژي در شيب‌شكن با سكو در پاي آن دارد. در شيب‌شكن مجهز به مستهلك‌كننده شبكه‌اي در كانال پايين‌دست دو رژيم جريان فوق‌بحراني و زيربحراني مشاهده شد. نتايج حاكي از آن است كه در ابعاد كوچك شبكه‌هاي مستهلك‌كننده شبكه‌اي، در كانال پايين‌دست جريان زيربحراني به وجود مي‌آيد و با افزايش بعد طولي شبكه‌ها و نزديك شدن جريان در حال ريزش به جريان در حال ريزش از مستهلك‌كننده شياري و شيب‌شكن ساده، جريان فوق‌بحراني در كانال پايين‌دست شكل مي‌گيرد. با بررسي شيب‌شكن مجهز به مستهلك‌كننده شبكه‌اي در لبه و سكو در پاي آن مشخص شد كه اثر غالب در استهلاك انرژي مربوط به سازه مستهلك‌كننده شبكه‌اي بوده و نسبت به شيب‌شكن مجهز به مستهلك‌كننده شبكه‌اي تنها، راندمان استهلاك انرژي چندان افزايش نمي‌يابد. همچنين حضور سكو در اين سازه هيچ تأثيري بر عمق جريان در لبه شيب‌شكن و طول خيس‌شده مستهلك‌كننده شبكه‌اي ندارد اما استفاده از سكو موجب افزايش طول شيب‌شكن مي‌گردد.
چكيده انگليسي :
Vertical drop structures are frequently used in open channels to dissipate the excess destructive kinetic energy of the upstream approach flow and to control the slope of the artificial channels compared to the slope of the natural ground. Passing the flow from a drop results in an energy loss due to the mixing of the falling jet with the recirculating flow inside the pool at the base of the drop. Building these structures for different purposes sometimes makes them uneconomical. Therefore, in certain situations it may be desirable to increase the flow energy loss as much as possible. Accordingly, various researchers have proposed auxiliary structures combined with the general structure of the vertical drop, including convergent transition at the edge of the drop, grating- and netting drop-type dissipaters at the edge of the drop, grid vertical free-overfall at the edge of the drop and a step at the base of the drop.
The main objective of the present study is to examine the effects of a grid drop-type dissipater at the edge of the drop along with a step at the drop base, on the hydraulic characteristics of flow at vertical drops. The present experimental study was conducted in the Hydraulic Laboratory, Departement of Civil Engineering, Isfahan University of Technology. The experiments were performed in a rectangular channel 9 m long, 0.4 m wide and 0.75 m high. Three drops with the heights of 0.2, 0.3, and 0.4 m, five grid drop-type dissipaters with grid dimensions of 0.02 to 0.08 m, and five square- and rectangular cross-section steps having dimensions in the range of 0.05 to 0.15 m were employed. The relative critical depth of the upstream approach flow was chosen between 0.15 and 0.5. To compare the hydraulic characteristics of flow over the aforementioned hydraulic designs with those of simple vertical drops, experiments were carried out without any artificial aeration and control of the tailwater depth.
The results suggest that using a step at the base of the drop increases the downstream flow depth and almost the flow energy loss. The longitudinal dimension of the steps has more effect on increasing the flow depth and energy loss downstream of the drop with a step at its base. Applying the grid drop-type dissipaters, two different flow regimes including super- and subcritical flow regimes were observed. According to these observations, the subcritical flow is the dominant flow regime, while the longitudinal dimension of the grid drop-type dissipater is small enough, whereas the supercritical flow regime forms in the downstream channel by increasing the longitudinal dimension of the grids, establishing strip type falling jets. Among applying a grid dissipater at the edge of the vertical drop and a step at the drop base, the first one has the most significant effect on increasing the flow energy loss. On the other hand, applying the present proposed complex hydraulic structure, the energy dissipation was not increased significantly compared to a single grid drop-type dissipater. Furthermore, a step at the drop base does not affect the brink flow depth at the edge of the drop and the wetted length of the grid dissipater, whereas increases the drop length.
