آشنایی با پرش هیدرولیکی و کاربردهای آن

در این پست تصمیم داریم جهت آشنایی بیشتر با پرش هیدرولیکی و کاربردهای آن، مطالبی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.

پرش هیدرولیکی یا پرش آبی، از نوع جریان هاي متغیر سریع است و عبارت است از تغییر حالت جریان از فوق بحرانی به زیربحرانی. این پدیده که یکی از پدیده هاي مهم جریان آب در کانال هاي باز بوده و از ابتدا تا انتهاي آن یک تلاطم و پیچش سطحی آب وجود دارد، به پرش هیدرولیکی یا پرش آبی موسوم است. از کاربردهاي پرش آبی در کانال باز می توان به کاهش انرژي آب در جریان از روي سدها، سرریزها و دیگر سازه هاي هیدرولیکی، مخلوط نمودن مواد شیمیایی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز مصارف کشاورزي و افزایش دبی خروجی از زیر دریچه ها با دور نگه داشتن پایاب اشاره نمود.

آب زمانی که از روي سرریز عبور می کند یا از مجراهاي تحتانی تخلیه می شود داراي سرعت فوق العاده زیاد می شود. در چنین مواقعی جریان فوق بحرانی بوده و انرژي جنبشی زیاد و مخرب دارد. براي این که این انرژي جنبشی مخرب از آب گرفته شود، سازه هاي مستهلک کننده انرژي به کار گرفته می شوند. سازه هاي هیدرولیکی نظیر حوضچه آرامش عمدتاً به منظور استهلاك انرژي در پایین دست سرریزها استفاده می شوند. ابعاد حوضچه هاي آرامش مستقیماً به مشخصات پرش هیدرولیکی بستگی دارد. از این رو تلاش پژوهشگران بر این بوده است تا با ایجاد تمهیداتی در محل وقوع پرش هیدرولیکی بتوانند مشخصات پرش را کاهش دهند تا صرفه جویی اقتصادي زیادي به همراه داشته باشد. بلوك هاي موجود در حوضچه آرامش با ایجاد نیرویی در خلاف جهت جریان باعث کاهش طول پرش هیدرولیکی می شوند. این بلوك ها چون پیوسته نیستند باعث جدا کردن جت ورودي شده و این مسأله خود به خود باعث افزایش تنش برشی و در نتیجه تلاطم بیش تر می گردد.

با توجه به پژوهش هاي انجام شده توسط راور و همکاران، زبري بستر عامل مؤثري در کاهش هزینه هاي حوضچه هاي استهلاك انرژي می باشد. از این رو هدف پژوهش هاي بعدي پژوهشگران، به کارگیري بسترهاي موج دار در کف حوضچه هاي آرامش و بررسی تأثیر این نوع از زبري ها بر ویژگی هاي پرش هیدرولیکی بوده است. از آن جا که مقاومت حوضچه آرامش در مقابل فرسایش و کاویتاسیون داراي اهمیت می باشد، بر اساس نظر اید و راجاراتنام، نوارهاي زبري در داخل حوضچه باید به نحوي قرار گیرند که تاج آن ها، هم سطح بستر بالادست بوده و نقش گودافتادگی را ایفا نمایند. غزالی و همکاران به بررسی تأثیر زبري هاي مثلثی کف حوضچه آرامش بر مشخصات پرش هیدرولیکی پرداختند.

در پژوهش های اخیر، مشخصات پرش هیدرولیکی در شرایط بستر زبر با استفاده از مدل فیزیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. اهداف انجام این پژوهش ها شامل بررسی تأثیر قطر متوسط ذرات در شرایط زبري طبیعی بستر بر نسبت عمق اولیه به ثانویه، استهلاك انرژي نسبی پرش هیدرولیکی، ضریب نیروي برشی، مقایسه نتایج آزمایشگاهی حاضر با نتایج سایر پژوهش هاي مشابه بر روي انواع بسترهاي زبر و نهایتاً ارائه روابطی براي هر یک از موارد فوق بوده است.

پیشنهاد مطالعه : انواع سرریز سد و انتخاب دبی طرح برای آنها

به طور كلي پرش هیدرولیکی در مقاطع مستطيلي افقي را مي توان به دو دسته پرش هیدرولیکی در مقاطع مستقيم (جهش کلاسيک) و واگرا طبقه بندي كرد. هر كدام از اين پرش ها خود مي توانند بر اساس استفاده يا عدم استفاده از ضمايم كنترل كننده پرش (آستانه انتهايي يا بلوك هاي كف) به دو نوع پرش كنترل شده و آزاد تقسيم بندي شوند.

در يك سازه كنترل، اغلب از لحاظ اقتصادي به صرفه است تا عرض دريچه را به حداقل رسانده و از عرض كامل كانال براي حوضچه آرامش استفاده كرد. ساده ترين حوضچه آرامش، شامل كانالي مستطيلي، مستقيم و تقريباً افقي است كه در آن جهش در طول مشخصي اتفاق مي افتد. ولي اين نوع حوضچه آرامش داراي مشكلاتي نظير نياز به تراز نسبتاً زياد پايين دست براي تضمين تشكيل جهش و پايداري نسبتاً ضعيف جهش است. براي رفع اين مشكلات، راه حل هاي مختلفي از جمله تغيير تدريجي عرض حوضچه در طول آن وجود دارد.

اولين آزمايش در مورد پرش هیدرولیکی در مقاطع واگرا، توسط ريگل انجام گرفت. جاگر را بايد به عنوان اولين محققي دانست كه تئوري اندازه حركت را براي مقاطع مستطيلي افقي و واگرا به درستي به كار برد. كلوسيوس و احمد پرش هیدرولیکی دايره اي را با فرض پروفيل خطي جهش بين عمق اوليه و ثانويه جهش مورد مطالعه قرار دادند. اين دو محقق نشان دادند كه با افزايش زاويه واگرايي، ميزان عمق ثانويه و طول جهش در مقايسه با جهش در مقاطع مستطيلي مستقيم كاهش مي يابد و طول جهش در اين حالت در حدود 3/5 تا 4/5 برابر عمق ثانويه است. اربهابهيراما و ابلا با در نظر گرفتن پروفيل جهش به صورت ربعي از بيضي، مطالعه قبل را تكرار كردند. رابطه نسبت عمق ثانويه ارائه شده توسط اين دو محقق براي زواياي واگرايي آزمايش شده مطابقت خوبي با مشاهدات داشت. مقايسه بين روش آن ها و روش كلوسيوس و احمد، مطابقت بهتر داده ها، زماني كه پروفيل جهش غير خطي در نظر گرفته مي شود را نشان مي دهد. در شکل 1 یک نمونه پرش هیدرولیکی نشان داده شده است.

شکل 1 . پرش هیدرولیکی

وجود آستانه ها يا بلوك ها در حوضچه هاي آرامش موجب افزايش ميزان استهلاك انرژي و كاهش سرعت كف در جهش هيدروليكي مي شوند. مطالعات زيادي براي بررسي اثر آستانه ها در حوضچه هاي مستطيلي مستقيم انجام گرفته است. بر اساس نتايج اين تحقيقات، اثر آستانه روي خصوصيات جهش بستگي به فاكتورهايي نظير شكل، موقعيت و ارتفاع آستانه دارد.

اولين مطالعه در زمينه كنترل جهش به وسيله يك آستانه توسط شكري انجام گرفت. وي با انجام آزمايش هايي نشان داد كه عدد فرود اوليه، فاصله قرار گيري آستانه از پنجه، ارتفاع نسبي آستانه و همچنين عمق پاياب، در چگونگي شكل گيري جريان عبوري از روي آستانه موثرند. رند با قرار دادن يك آستانه در مسير جريان نشان داد كه با افزايش ارتفاع آستانه و كاهش فاصله قرار گيري آستانه نسبت به پنجه جهش، عمق آب در پاياب كاهش مي يابد.

از مجموع مطالعات گذشته مي توان نتيجه گيري كرد كه در پرش هیدرولیکی واگرا نسبت عمق ثانويه و طول جهش كمتر و افت نسبي انرژي بيشتر از جهش كلاسيك است. انتظار مي رود كه استفاده از آستانه لبه تيز موجب بهبود عملكرد جهش واگرا و كاهش بيشتر طول حوضچه شده و از اين رو هزينه ساخت كاهش يابد. از آنجايي كه اثر آستانه لبه تيز در حوضچه هاي واگرا تاكنون مورد بررسي قرار نگرفته است، در اين تحقيق مشخصات جهش هيدروليكي واگراي كنترل شده به وسيله يك آستانه لبه تيز به صورت آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است.

پرش هیدرولیکی کلاسیک پدیده فیزیکی خاصی است که معمولاً در حوضچه هاي آرامش سازه هاي هیدرولیکی کوتاه مورد استفاده قرار می گیرد. براي کاهش ابعاد حوضچه آرامش اقداماتی مانند ساخت بلوك هاي پاي شوت و یا بلوك هاي میانی به منظور اتلاف بیشتر انرژي جنبشی جریان در محدوده پرش و کاهش مشخصات آن در گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از روش هایی که می تواند جایگزین بلوك ها شود، ایجاد زبري مصنوعی در بستر جریان است. زبر نمودن کف بستر باعث می شود که در یک حجم کنترل مقدار مومنتم ورودي و خروجی برابر نبوده و مومنتم خروجی به اندازه نیروي مقاومت زبري ها، کمتر از مومنتم ورودي شود. تفاوت زبري با بلوك ها این است که سطح فوقانی زیري ها می تواند کاملاً در زیر عمق اولیه پرش قرار گرفته و هم تراز با کف کانال بالادست شود. از اینرو روشی براي کاهش طول و عمق ثانویه پرش می باشد. در شکل 2 یک نمونه پرش هیدرولیکی نشان داده شده است.

شکل 2 . پرش هیدرولیکی در کانال

بزاز و قربانی در تحقیقی روي تأثیر طول موج زبري ها بر ویژگی هاي پرش هیدرولیکی نشان دادند که طول زبري ها، طول پرش را به اندازه 20 تا 42 درصد و عمق ثانویه پرش را به اندازه 10 تا 18 درصد کاهش می دهند. عزیزي و همکاران، تحقیقی به منظور بررسی تأثیر صفحات مستغرق در حوضچه هاي آرامش بر مشخصات پرش هیدرولیکی انجام دادند. نتایج کار آن ها نشان داد که این صفحات در مقایسه با پرش کلاسیک می توانند باعث کاهش عمق پایاب مورد نیاز براي ایجاد پرش به مقدار 10 درصد و افزایش ضریب نیروي برشی تا حدود 12 برابر نسبت به بستر صاف شوند. همچنین در مقایسه با پرش هیدرولیکی روي بستر صاف نتایج نشانگر آن است که صفحات می توانند مقدار ضریب نیروي برشی در بسترهاي زبر را تا حدود 12 برابر نسبت به بستر صاف افزایش دهند. طول پرش نیز در بهترین حالت با کاهش 25 درصدي روبرو خواهد شد. تاکنون مطالعات گسترده اي روي بسترهاي زبر با مشخصات فوق انجام شده است، ولی روي بستر سنگ چین مطالعات قابل توجهی انجام نشده است.

منابع :

1 . مقاله ی بررسي آزمايشگاهي مشخصات جهش هيدروليكي كنترل شده توسط آستانه لبه تيز در حوضچه هاي آرامش واگرا از امير گُرد نوشهري و همکاران

2 . مقاله ی بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی در شرایط بستر زبر با استفاده از مدل فیزیکی از فرشته اسدي و همکاران

3 . مقاله ی بررسی آزمایشگاهی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش با بستر سنگ چین از بهزاد قربانی و همکاران