آشنایی با پرتابه جامی شکل و کاربردهای آن

مطالعات انجام شده در زمينه حوضچه هاي پرتابه جامی بيشتر به منظور پيش بيني ميزان آبشستگي در حوضچه سد انجام گرفته است. در این پست به معرفی پرتابه جامی شکل و کاربردهای آن می پردازیم، با ما همراه باشید.

مقدمه

مستهلک کننده های انرژی، سازه هایی هستند که در انتهای سرریزها و تخلیه کننده های تحتانی سدها به منظور استهلاک انرژی مازاد جریان ساخته می شوند. سه نوع متداول سازه های مستهلک کننده جریان عبارتند از حوضچه های آرامش که در این سازه ها استهلاک انرژی جریان با استفاده از پرش هیدرولیکی صورت می گیرد. جام غلتابی که در آن با ایجاد جریان چرخشی و غلتاندن آب، انرژی اضافی از بین می رود و در نهایت پرتابه جامی که در این نوع سازه ها به منظور استهلاک انرژی، جریان آب با انجام پرش اسکی شکل از روی جام، به صورت یک جت به پایین دست سد پرتاب می گردد.

استفاده از پرتابه جامی شکل در سدها، به علت نيروهايي كه جريان خروجي از آنها در محل برخورد به بستر پايين دست وارد و منجر به آبشستگي مي شود، در مقايسه با سازه هاي ديگر، نياز به بررسي و مطالعه بيشتري دارد. پرتابه جامی را در مكان هايي كه بستر مقاومت كافي دارد، مي توان استفاده كرد. اغلب در پايين دست اين سازه ها، براي جلوگيري از برخورد مستقيم جت خروجي با كف رودخانه از حوضچه هاي استغراق استفاده مي شود.

كارايي حوضچه هاي استغراق اساساً به كيفيت ناحيه اي كه جت جريان به آن برخورد مي كند بستگي دارد. چنانچه ناحيه برخورد، ويژگي هاي متفاوت با آنچه در طراحي در نظر گرفته شده داشته باشد، ممكن است به وارد شدن خسارت هايي به سازه سد منجر شود. اغلب مشاهده شده است كه پيش بيني هاي زمين شناسي، شرايط مناسبي را نشان مي دهد، اما آبشستگي بسيار بيشتر از مقدار پيش بيني شده آن بوده است.

به طور كلي دو نوع ساختمان حوضچه استغراق با توجه به هندسه جت خروجي از سرريز سد وجود دارد. نوع اول حوضچه هاي مربوط به جت هاي دايره اي هستند كه براي مثال حوضچه استغراق سد مورو پوينت در آمريكا  را مي توان نام برد. نوع دوم حوضچه هاي استغراق مربوط به جريان جت هاي مستطيلي و يا تيغه اي مي شوند كه به عنوان نمونه در سدهاي ايوم، باسركا و آتازار در اسپانيا، سد گبيدم در سويس و سد كريستال در آمريكا  مورد استفاده قرار گرفته اند. ورود جت به داخل حوضچه، باعث مستهلك شدن مقدار قابل توجهي از انرژي جت آب در اثر عواملي چون، اصطكاك هوا و هواگيري جت در اتمسفر، پودر شدن جريان آب در هوا، برخورد به سطح آب حوضچه، ورود هواي در برگيرنده جت، نفوذ و پخش در بالشتك آب و نهايتاً برخورد با كف و ايجاد تلاطم در حوضچه و نوسانات سطح آب مي گردد. اين فعل و انفعالات همراه با تشديد آشفتگي جريان و نوسانات شديد فشار همراه است.

افزايش عمق آب در داخل حوضچه هاي استغراق باعث كاهش تأثير هيدروديناميك جت بر كف و ديواره ها و در نتيجه بي نيازي از تثبيت و پايداري آن مي گردد اما نياز به عمق بيشتر حوضچه دارد كه معمولاً هزينه مضاعفي را در بر خواهد داشت. از طرف ديگر با كاهش عمق آب حوضچه، جت بر كف و ديواره ها قابل توجه بوده و لذا تمهيدات لازم در تحكيم و پوشش نمودن كف و ديواره ها با ضخامت مناسب مد نظر قرار مي گيرد. همچنين شرايط هندسي و هيدروليكي جت ورودي به داخل حوضچه، تأثير مستقيم بر شدت توزيع بارگذاري كف و ديواره هاي حوضچه دارد. به طور كلي طراحي حوضچه هاي استغراق طبيعي بر مبناي تعيين عمق آبشستگي با استفاده از متغيرهاي دبي، عمق پاياب، اختلاف ارتفاع سطح آب مخزن تا پاياب، ابعاد و هندسه جت ريزشي و اندازه مصالح بستر پايين دست مي باشد. در بعضي شرايط به دلايل اقتصادي و ايمني، طراحي حوضچه با استفاده از عمق آبشستگي مناسب نمي باشد كه در اين صورت از حوضچه هاي پوشش داده يا مصنوعي استفاده مي شود و طراحي بر اساس تعيين توزيع فشارهاي وارد به كف و ديواره ها و حدود نوسانات آن ها تحت تأثير متغيرهاي مؤثر شامل دبي، سرعت، ارتفاع ريزش، ابعاد و هندسه جت ريزشي، عدد فرود، عمق آب در حوضچه ها و ابعاد آن، انجام مي شود. ويژگي هايي چون غير همگني، ناهمساني و تغييرات سه بعدي خصوصيات جريان هاي متلاطم در سازه هاي مستهلك كننده انرژي و همچنين عدم وجود راه حل مشخص و معين براي تعيين فشارهاي نوساني در اين سازه ها مانع از مطالعه دقيق تحليلي اين گونه جريان ها مي باشد. در اين موارد استفاده از مدل هيدروليكي يكي از اساسي ترين روش ها براي بررسي و مطالعه متغيرهاي هيدروليكي از جمله فشار هيدروديناميكي در اين سازه ها مي باشد. در شکل 1 یک نمونه پرتابه جامی نشان داده شده است.

شکل 1 . پرتابه جامی

در بسياري از مطالعاتي كه در زمينه بررسي نوسانات فشارهاي ديناميكي حاصل از برخورد جت انجام گرفته، بيشتر جت ها دايره اي و بر مبناي جت تشكيل شده از لوله عمودي شكل بوده و كمتر به بررسي جت هاي حاصل از پرتابه جامی شكل، كه در واقعيت قسمت اعظمي از سازه هاي مستهلك كننده سدها را شامل مي شوند، پرداخته شده است. بنابراين در تحقیق های اخیر مبناي توليد جت پرتابه جامی شكل مد نظر قرار گرفته شده است. در مراحل انجام اين تحقيق ها، فشارهاي حاصل از كل نقاط سطح برخورد جت برداشت و ثبت شده است اما روند مطالعه بر روي مشخصات فشارهاي ديناميكي محور مركزي جت تمركز دارد، چرا كه بيشترين تاثير در ايجاد فشارهاي بالا در كف حوضچه و در نهايت ايجاد ترك در دال كف و يا افزايش عمق حفره فرسايش بر اثر برخورد محور مركزي جت انجام مي گيرد. همچنين هدف نهايي اين تحقيق ها، محاسبه و تحليل مشخصاتي از فشارهاي ديناميكي كه در فرمول هاي عمومي تعيين ضخامت دال كف و يا ميزان عمق آبشستگي مورد استفاده قرار مي گيرند، است.

تئوري و پيشينة تحقيق پرتابه جامی

مطالعات انجام شده در زمينه حوضچه هاي پرتابه جامی بيشتر به منظور پيش بيني ميزان آبشستگي در حوضچه انجام گرفته است. در كل، چه در حوضچه هاي استغراق طبيعي كه بحث آبشستگي و عمق حفره فرسايش مد نظر است و چه در حوضچه هاي مصنوعي با بستر پوشيده شده كه برآورد فشارهاي ديناميكي و نوسانات آن تعيين كننده است، مي توان از نتايج تحقيقات گذشته سود جست. چرا كه عمق فرسايش ايجاد شده در حوضچه هاي استغراق طبيعي نيز بر اثر فشارهاي ديناميكي وارد به كف و نوسانات آن به وجود مي آيد. مطالعات انجام شده در زمينه تخمين ميزان فرسايش را مي توان در چهار مدل كلي كه شامل مدل هاي تجربي، مدل هاي تحليلي- تجربي، مدل محاسبه فشارهاي ديناميكي نهايي در كف حوضچه و مدل محاسبه اختلاف فشارهاي ديناميكي در كف حوضچه خلاصه كرد. در شکل 2 یک نمونه پرتابه جامی نشان داده شده است.

شکل 2 . پرتابه جامی

طول هسته جت در پرتابه جامی

طول هسته در واقع بر اساس طول ناحيه پايدار سازي جريان در برخورد جت آب تعيين مي گردد. در برخورد جت، ابتدا در طولي از حوضچه فرآيند پايدار سازي جريان اتفاق مي افتد و سپس جريان پايدار شده به كف حوضچه برخورد مي كند. ناحيه پايدارسازي جريان جايي است كه تنش هاي برشي به وجود آمده در كناره جت، سرعت را در جداره ها كاهش مي دهند. پس از اتمام ناحيه پايدار سازي، جت پايدار خواهد بود و در اين ناحيه ديگر اثري از هسته جت مشاهده نمي شود.

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

طول شكست جت در پرتابه جامی

براي جت هاي در حال سقوط از ارتفاع هاي زياد، اغتشاشات سطحي آشفتگي ممكن است به قدري بزرگ باشد كه در هسته جت نفوذ كرده نتيجتاً آن را به قطرات جدا از هم تجزيه كند. اين پديده تحت متغير طول فروپاشي و يا طول شكست جت تعريف مي شود. به عبارت ديگر از اين فاصله به بعد جت در حال سقوط كاملاً توسعه پيدا كرده و ديگر هسته جت وجود ندارد و در واقع به مجموعه اي از گلوله ها و قطرات آب تبديل مي شود. براي هر قطره و گلوله آب به تنهايي سرعت سقوط در اثر مقاومت هوا كاهش يافته و در نهايت به سرعت حد سقوط مي رسد كه به وزن هر قطره يا گلوله آب وابسته است. نتيجتاً چنين درهم كنشي سبب محدود شدن ظرفيت فرسايشي جت كاملاً توسعه يافته مي شود.

منابع :

1 . مقاله ی بررسي فشارهاي ديناميكي ناشي از برخورد جت خروجي از پرتابه جامي شكل با در نظر گرفتن عمق پاياب از اسماعيل ثابتي و همکاران

2 . مقاله ی شبیه سازی سه بعدی نوسانات فشار دینامیکی در پرتابه جامی با استفاده از مدل FLUENT از محمد حسين کريمي پاشاکي