زهرا منعمیان

پرش هيدروليکي در پايين ­دست شيب ­شکن قائم با تبديل همگرا

چکیده

در کانال ­هاي آبياري و شبکه ­هاي جمع ­آوري فاضلاب از شيب­ شکن براي جبران اختلاف ارتفاع کف کانال با بستر طبيعي زمين استفاده مي ­شود. سرعتچکیده جريان پس از عبور از شيب­ شکن افزايش يافته و جريان، انرژي جنبشي زيادي خواهد داشت. اين انرژي جنبشي زياد، مخرب بوده و باعث فرسايش بستر، آبشستگي و تخريب سازه ­هاي پايين­ دست مي­شود. علاوه ­بر آن، در شيب­ شکن محفظه­ ي فشار منفي در زير جت سقوطي درصورت هوادهي نشدن سازه وجود دارد که سبب مکش، پرشدن محفظه از آب و افزايش لرزش جت سقوطي مي­ شود.

در اين تحقيق، با قرار دادن تبديل­ هاي همگرا در لبه­ ي آبشار شيب­ شکن قائم، ميزان استهلاک انرژي و وضعيت پرش هيدروليکي ايجاد شده در پايين­ دست شيب ­شکن در مقايسه با شرايط شيب­ شکن قائم ساده بدون استفاده از تبديل همگرا، به ­صورت آزمايشگاهي و تحليلي مطالعه شده است. هدف از استفاده از  تبديل در شيب‌شكن افزايش ميزان استهلاک انرژي، بررسي اثر آن بر روي پرش هيدروليکي در پايين­ دست شيب­ شکن و هوادهي طبيعي محفظه­ ي هوا در زير جت سقوطي است. آزمايش­ ها بر روي سه شيب­ شکن متفاوت با استفاده از شش تبديل همگرا با ابعاد متفاوت و با دبي نسبي (d_c/h) در محدوده­ ي 07/0 تا 459/0 صورت گرفته است كه h ارتفاع شيب‌شكن و d_c عمق بحراني است. وجود تبديل همگرا در لبه­ ي شيب­ شکن قائم با کاهش مقطع جت سقوطي در هنگام ريزش از لبه­ ي شيب­ شکن، باعث از بين رفتن محفظه­ ي با فشار منفي در پشت جت سقوطي شده و به همين دليل، ديگر نيازي به هوادهي نيست.

عمق جريان در لبه­ ي شيب­شکن قائم با تبديل همگرا، برخلاف شيب­ شکن قائم ساده برابر مقدار ثابتي نبوده و به نسبت همگرايي تبديل­ ها (نسبت عرض در لبه­ ي شيب­ شکن به عرض کانال بالادست) و دبي نسبي وابسته است. با استفاده از نتايج آزمايشگاهي، رابطه ­اي تجربي براي تخمين عمق متوسط جريان در لبه­ ي شيب­ شکن بيان شده است. مشاهدات آزمايشگاهي نشان مي‌دهد كه گرداب در پشت جت سقوطي به‌صورت ناقص تشکيل شده و عمق متوسط آن در دبي­ هاي پايين به ­صورت قابل توجهي کاهش مي­يابد. با افزايش عمق پاياب و ايجاد پرش هيدروليکي، اثرات ناشي از امواج شوک ناشي از تبديل همگرا در لبه ­ي شيب­ شکن کاهش داده شد. شکل پرش هيدروليکي بسته به عمق پاياب و دبي متفاوت بوده و باعث به­ وجود آمدن پرش‌هاي متفاوتي مي­شود. در ابتدا در دبي­ هاي کم و عمق پاياب کم، پرش V-شکل نامتقارن تشکيل مي­شود. با افزايش عمق پاياب پرش هيدروليکي به شيب­ شکن نزديک­تر شده و جبهه­ ي پرش هيدروليکي متقارن مي­شود که با افزايش بيشتر عمق پاياب، جبهه­ ي پرش هيدروليکي عمود بر جريان تشکيل مي­شود. در نسبت همگرايي 8/0 و در شيب ­شکن با ارتفاع 400 ميلي­متر (به جز در کمترين دبي)، پرش هيدروليکي  به­ صورت يک پرش خاص در پاي جت سقوطي رخ مي­ دهد. نتيجه­ ي حاصل شده از مقايسه­ ي طول غلتابه ­ي سطحي پرش هيدورليکي در اين مطالعه با پرش هيدروليکي کلاسيک نشان داد که طول غلتابه­ ي سطحي کاهش مي­ يابد. دليل اين امر را مي ­توان وجود امواج شوک بيان کرد که با افزايش سرعت جريان در پايين­ دست و افزايش عدد فرود اوليه­ ي پرش هيدروليکي، اختلاف طول غلتابه­ ي نسبي در اين مطالعه با پرش هيدروليکي کلاسيک بيشتر مي­ شود. عمق ثانويه­ ي پرش هيدروليکي در اين مطالعه را مي­توان با پرش هيدروليکي کلاسيک تخمين زد. با افزايش دبي نسبي و با کاهش نسبت همگرايي، عمق ثانويه ­ي پرش هيدروليکي در اين مطالعه کمتر از عمق ثانويه ­ي پرش هيدروليکي کلاسيک است و در بزرگ­ترين دبي نسبي اندازه ­گيري شده، اختلاف عمق ثانويه­ ي پرش هيدروليکي در نسبت همگرايي 8/0 با پرش هيدروليکي کلاسيک به 11% مي­رسد. با استفاده از فرضيات محققين پيشين و فرض يکسان بودن پرش هيدروليکي در اين مطالعه با پرش هيدروليکي کلاسيک، شش مدل تحليلي براي برآورد افت هد در شيب­شکن قائم با تبديل همگرا ارائه شد. نتايج حاصل از مدل­ هاي ارائه شده با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شد و مدل تحليلي شماره 5 نزديک­ترين نتايج را به نتايج آزمايشگاهي براي برآورد افت هد با نسبت همگرايي 9/0 و مدل تحليلي 4 براي نسبت همگرايي 8/0 ارائه مي­ دهد. باتوجه به همخواني خوب نتايج مدل­ ها با فرض پرش هيدروليکي کلاسيک با نتايج آزمايشگاهي ، فرض استفاده از پرش هيدروليکي کلاسيک براي برآورد عمق ثانويه­ ي پرش هيدروليکي و افت هد شيب‌شكن با تبديل همگرا منطقي به ­نظر مي­رسد.