بررسي مشخصات هيدروليكي سرريز اوجي با دريچه تحتاني

سرريزهاي اوجي از جمله سازه‌هاي مهم هيدروليكي هستند كه به‌منظور عبور و تخليه ايمن جريان مورد استفاده قرار مي‌گيرند. عملكرد مناسب اين سازه‌ها تا حد زيادي به انطباق پروفيل سطح سرريز با مسير جت آب و تأمين فشار مناسب بر روي سطح آن وابسته است. در سرريزهاي اوجي مجهز به كالورت، جت پايين‌دست ناشي از عبور جريان از كالورت مي‌تواند با جت ايجادشده بر روي تاج سرريز برخورد كرده و موجب تغيير مسير و انحناي جت آب شود. اين تغييرات مي‌تواند شرايط فشار بر روي سطح سرريز را تحت تأثير قرار داده و در صورت ايجاد فشارهاي منفي، احتمال وقوع كاويتاسيون و آسيب به سطح سرريز را افزايش دهد. ازاين‌رو، پژوهش حاضر با هدف بررسي انحناي جت آب و ارائه روشي براي طراحي پروفيل سرريز اوجي مجهز به كالورت همچنين بررسي شرايط فشار بر روي سطح سرريز انجام شده است. در اين پژوهش، ابتدا مجموعه‌اي از آزمايش‌هاي آزمايشگاهي با استفاده از سرريز لبه‌تيز مستطيلي مجهز به دريچه و در شرايط مختلف دبي جريان، ارتفاع سرريز و بازشدگي دريچه انجام شد. انحناي جت آب حاصل از آزمايش‌ها از تصاوير ثبت‌شده استخراج و با استفاده از سيستم مختصات يكسان مورد تحليل قرار گرفت. سپس، با استفاده از رابطه عمومي پروفيل سرريز اوجي، شاخص‌هاي (K) و (N) با روش برازش و تكرار و خطا در نرم‌افزار MATLAB تعيين شدند. در ادامه، روابطي براي تعيين شاخص‌هاي (K) و (N) بر اساس پارامترهاي بدون‌بُعد هندسي و هيدروليكي ارائه شد. همچنين، به‌منظور ارزيابي عملكرد پروفيل پيشنهادي، يك مدل فيزيكي از سرريز اوجي مجهز به كالورت ساخته شد و شرايط فشار بر روي سطح سرريز در دبي طراحي و دبي‌هاي بيشتر از دبي طراحي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه انحناي جت آب ايجادشده در بالاي سرريز لبه‌تيز مجهز به دريچه تحت تأثير جت پايين‌دست ناشي از بازشدگي دريچه قرار دارد؛ بااين‌حال، تأثير برخورد جت‌ها در ناحيه بالادست تاج سرريز، به‌ويژه در محدوده منحني AB، ناچيز بوده و اين بخش را مي‌توان بر اساس رابطه عمومي سرريز اوجي طراحي كرد. در مقابل، انحناي جت در محدوده منحني BC تحت تأثير برخورد جت سرريز و جت دريچه قرار مي‌گيرد. همچنين مشخص شد كه جابه‌جايي انحناي جت به سمت پايين‌دست تابع هم‌زمان جت سرريز و جت دريچه است، درحالي‌كه در سرريز اوجي بدون كالورت، اين جابه‌جايي عمدتاً تابع جت سرريز است. نتايج همچنين نشان داد كه براي (hd/a‎>2.25)، اثر ارتفاع سرريز بر حركت رو به بالا و پايين انحناي جت ناچيز بوده و موقعيت جت عمدتاً به دبي جريان وابسته است؛ درحالي‌كه براي (hd/a<‎2.25)، ارتفاع سرريز تأثير بيشتري بر موقعيت انحناي جت دارد. نتايج روش برازش نيز نشان داد كه شاخص‌هاي (K) و (N) را مي‌توان بر اساس نسبت بدون‌بُعد (hd/(a+P)) و عدد فرود تعيين كرد. در نهايت، نتايج بررسي فشار نشان داد كه افزايش نسبت غوطه‌وري ناشي از تشكيل پرش هيدروليكي مي‌تواند موجب كاهش و حذف فشار منفي بر روي سطح سرريز شود. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده، در نظر گرفتن اثر جت كالورت در طراحي پروفيل سرريز اوجي مجهز به كالورت و استفاده از بازشدگي كالورت به‌عنوان يك عامل مؤثر در كنترل انحناي جت و شرايط فشار، مي‌تواند در كاهش خطر فشار منفي و كاويتاسيون و بهبود عملكرد هيدروليكي اين نوع سازه‌ها مؤثر باشد.

Ogee weirs are widely used hydraulic structures for safely conveying an‎d controlling flow. However, combining an ogee weir with a culvert an‎d gate can alter the water-jet trajectory over the weir crest due to the interaction between the weir jet an‎d the downstream gate jet. This interaction may affect the ogee profile an‎d pressure distribution over the weir surface. Therefore, this study investigates the jet curvature over a sharp-crested weir (SCW) with a gate an‎d proposes an approach for designing the profile of an ogee weir with a culvert while considering the effects of the downstream jet an‎d negative pressure. A series of laboratory experiments was conducted using a rectangular sharp-crested weir equipped with a gate under different discharge rates, gate openings, an‎d weir heights. The water-jet curvatures were extracted from experimental images an‎d analyzed using a unified coordinate system. The (K) an‎d (N) coefficients of the general ogee-weir equation, (y/hd=-K(x/hd) N), were determined using a fitting procedure based on an acceptable average error. Subsequently, nonlinear regression was used to relate the (K) an‎d (N) coefficients to dimensionless hydraulic an‎d geometric parameters. The results showed that the downstream movement of the jet curvature over the SCW with a gate depends on both the weir an‎d gate jets, whereas the jet curvature over a conventional ogee weir without a culvert an‎d gate is mainly controlled by the weir jet. For (hd/a‎>2.25), the effect of weir height on the upward an‎d downward movement of the jet curvature is negligible, an‎d jet position mainly depends on discharge. For (hd/a<‎2.25), weir height has a greater influence on jet movement, while gate opening significantly affects the downward movement of the jet. The results also indicated that the (K) an‎d (N) coefficients can be expressed as functions of (hd/(a+P)) an‎d the Froude number. Finally, pressure measurements on the ogee surface showed that increasing the submergence ratio associated with hydraulic-jump development can reduce an‎d eliminate negative pressure. The proposed approach can therefore contribute to controlling jet curvature an‎d reducing the risk of negative pressure an‎d cavitation in ogee weirs with culverts.

منوچهر حيدرپوراسفرجاني

سعيد صالحي

محمد شايان نژاد , مرتضي صادقي