توصيفگر ها :
سرريزهاي هيدروفويل , عمق پاياب , مشخصات هيدروليكي سرريزهاي هيدروفويل , رژيمهاي جريان , ضريب كاهش دبي , آستانه استغراق , پروفيل سطح آب
چكيده فارسي :
سرريزها يكي از مهمترين اجزاي سازههاي هيدروليكي بهشمار ميروند كه با كنترل سطح آب، كاهش خطر سيلاب و حفاظت از سازههاي آبي، نقش مهمي در مديريت منابع آب ايفا ميكنند. تحقيق درباره سرريزها، بهويژه سرريزهاي هيدروفويل، بهدليل نقش مهم آنها در مديريت منابع آب و مهندسي هيدروليك، حائز اهميت است. سرريزهاي هيدروفويل، كه بر اساس اصول آيروديناميكي طراحي ميشوند، قادر به كنترل انرژي جنبشي جريان عبوري هستند و از تلاطم جريان و فرسايش بستر پاييندست جلوگيري ميكنند. تاكنون در برخي از مطالعات انجامشده به بررسي مشخصههاي هيدروليكي جريان در سرريزهاي هيدروفويل با تغيير پارامترهاي مختلف نظير؛ خروج از مركزيت نسبي، زاويه حمله، خميدگي و شيب وجه بالادست پرداخته شده است. در برخي از تحقيقات پيشين نيز رژيمهاي جريان در سرريزها، شيبشكنها و ساير سازههاي هيدروليكي بررسي شده است. ليكن تاكنون تأثير تغييرات عمق پاياب بر مشخصههاي هيدروليكي جريان و نيز امكان شكلگيري رژيمهاي مختلف جريان در پاييندست سرريزهاي هيدروفويل مورد ارزيابي قرار نگرفته است. با توجه به عملكرد مناسب سرريزهاي هيدروفويل، در تحقيق حاضر در ادامه مطالعات پيشين به بررسي تأثير عمق پاياب و استغراق سرريز بر مشخصههاي هيدروليكي و رژيمهاي جريان در پاييندست سرريزهاي هيدروفويل پرداخته ميشود. ضمناً ويژگيهاي رژيمهاي جريان و مشخصات پرش هيدروليكي در پاييندست اين نوع سرريزها، ويژگيهاي هيدروليكي جريان براي عمقهاي پاياب كمتر و بيشتر از حد آستانه استغراق بررسي ميشود. آزمايشها در هشت مرحله مختلف با افزايش تدريجي عمق جريان پاييندست انجام گرديد و تغييرات رژيمهاي جريان در هر مرحله ثبت و بررسي شد. 9 مدل سرريز هيدروفويل با ابعاد و ويژگيهاي هندسي مختلف مورد استفاده قرار گرفت. در هر آزمايش، عمق پاياب با تنظيم يك سرريز مستطيلي لبهتيز افزايش داده ميشد و رژيم جريان در نقاط مختلف ثبت ميشد. در مراحل بعدي، تغييرات عمق پاياب كاهش داده ميشد تا تأثيرات آن بررسي گردد. رژيمهاي جريان در پاييندست سرريزهاي هيدروفويل به سه دسته اصلي تقسيم ميشوند: جريان آزاد (كه شامل انواع مختلف پرشهاي هيدروليكي است)، جريان مستغرق (كه شامل پرشهاي هيدروليكي ناقص و مستغرق ميشود) و جريان سطحي (كه به زيررژيمهاي موج حبابي، موج سطحي و جت سطحي تقسيم ميشود). طول ناحيه پرش بستگي به شدت تلاطم جريان دارد و ميتواند بين 6 تا 10 برابر عمق پاياب متغير باشد. تغيير رژيم جريان از سطحي به مستغرق و از مستغرق به آزاد در ترازهاي پايينتري رخ ميدهد. اين تحقيق نشان داد كه افزايش دبي جريان باعث افزايش مقادير t1 و t2 در هر دو حالت افزايش و كاهش عمق پاياب ميشود. بهعنوان مثال، در مدل شماره 1 و دبي 10 ليتر بر ثانيه، t2r برابر با 4/3- و t2f برابر با 9/1- بود. اين نتايج به درك دقيقتر از رفتار هيدروليكي جريان در پاييندست سرريزهاي هيدروفويل كمك ميكند. در اين تحقيق، مشخص شد كه آستانه استغراق سرريز نه تنها به نسبت هد بالادست به ارتفاع سرريز (hu/P) وابسته است، بلكه به پارامتر Fu نيز بستگي دارد. اين رابطه در بازه 6/1 ≥ hu/P≥ 2/0 و 45/0 ≥ Fu ≥ 1/0 كاربرد دارد. و نتايج حاكي از آن است كه رابطهي ارائهشده در اين مطالعه نسبت به ساير روابط موجود از خطاي كمتر و ضريب همبستگي بالاتري برخوردار است. براي در نظر گرفتن تأثير سطح آب بالادست بر تاج سرريز، پارامترهاي S وFu* با استفاده از مفهوم تشابه ناقص و تركيب آنها بهصورت پارامتر t/Yc تعريف شدند. اين تركيب جديد نتايج بهتري در توصيف ضريب كاهش دبي ارائه داد، بهگونهاي كه با افزايش مقدار t/Yc ، مقدار Cs كاهش مييابد. براي پيشبيني دقيق رفتار جريان مستغرق رابطه اي در بازه 45/1 ≥ t/Yc ≥ 7/0 ارائه شد كه نتايج حاكي از آن است كه رابطهي ارائهشده در اين مطالعه خطاي كمتري داشته و ضريب همبستگي بالاتري نسبت به ساير روابط ارائه شده دارد.
چكيده انگليسي :
Weirs are one of the most common hydraulic structures, playing a significant role in water resource management, controlling water level, mitigating flood risk, and protecting hydraulic infrastructure. Research on weirs, particularly on hydrofoil weirs, is of great importance due to their use in hydraulic engineering and water resource management. Several studies have been conducted on the hydraulic characteristics of flow over the hydrofoil weirs, varying parameters such as the relative eccentricity, angle of attack, curvature, and the weir upstream face slope. Former researchers have also investigated the flow regimes, downstream of the weirs, overfalls, drops and other hydraulic structures. However, the influence of tailwater depth on hydraulic characteristics of flow and possible flow regimes downstream of the hydrofoil weirs has not been yet evaluated. Given the performance of hydrofoil weirs, the present study reposes on the former investigations, examining the effects of tailwater depth and weir submergence on the hydraulic characteristics and flow regimes downstream of the hydrofoil weirs. Furthermore, the present study explores features of the flow regimes and characteristics of the hydraulic jump, considering different tailwater depths below and above the threshold submergence depth. Experiments were conducted for eight different stages, gradually increasing the tailwater depth, recording and analyzing the possible flow regimes at each stage. Nine hydrofoil weir models with different geometric parameters were employed. In each experiment, the tailwater depth was increased by adjusting a sharp-crested rectangular weir, and the flow regimes were examined at various stages. The flow regimes, downstream of the hydrofoil weirs, were categorized into three major types; including free flow (various types of free hydraulic jump), submerged flow (incomplete or fully submerged hydraulic jumps), and surface flow (subdivided into bubble wave, surface wave, and surface jet flow) regimes. Dependent on the intensity of flow turbulence, the hydraulic jumps length varied between 6 to 10 times the tailwater depth. Transition of flow regime from surface flow regime to submerged flow regime and from submerged flow regime to free flow regime occurred at lower tailwater depths. According to the present results, an increase in the flow discharge resulted in higher values of t1 and t2 for both increasing and decreasing tailwater depth. For instance, in model 1 with a discharge of 10 l/s, t2r was found to be -3.4, and t2f was -1.9. The findings also indicated that the threshold submergence depth is not only dependent on the ratio of upstream head to the weir height (hu/P) but also on the Fu. Accordingly, an empirical equation is derived for the threshold submergence depth, being applicable for the ranges of 0.2 ≤ hu/P ≤ 1.6 and 0.1 ≤ Fu ≤ 0.45. The results suggest that the proposed equation has acceptable scatter and correlation coefficient compared to the experimental data. To consider the influence of upstream water head relative to the weir crest, the parameters S and Fu* were combined using the concept of incomplete self-similarity (ISS), defining the parameter t/Yc. This combination provided improved results in describing the discharge reduction coefficient Cs, indicating that as t/Yc increases, Cs decreases.