5347
شناسه خبر: 5347
بازدید: 1

مطالعات انجام شده در زمینه حوضچه های پرتابه جامی بیشتر به منظور پیش بینی میزان آبشستگی 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 نیروهایی که جریان خروجی از آنها در محل برخورد به بستر پایین دست وارد و منجر به آبشستگی می شود، در مقایسه با سازه های دیگر، نیاز به بررسی و مطالعه بیشتری دارد. پرتابه جامی را در مکان هایی که بستر مقاومت کافی دارد، می توان استفاده کرد. اغلب در پایین دست این سازه ها، برای جلوگیری از برخورد مستقیم جت خروجی با کف رودخانه از حوضچه های استغراق استفاده می شود.

کارایی حوضچه های استغراق اساساً به کیفیت ناحیه ای که جت جریان به آن برخورد می کند بستگی دارد. چنانچه ناحیه برخورد، ویژگی های متفاوت با آنچه در طراحی در نظر گرفته شده داشته باشد، ممکن است به وارد شدن خسارت هایی به سازه سد منجر شود. اغلب مشاهده شده است که پیش بینی های زمین شناسی، شرایط مناسبی را نشان می دهد، اما آبشستگی بسیار بیشتر از مقدار پیش بینی شده آن بوده است.

به طور کلی دو نوع ساختمان حوضچه استغراق با توجه به هندسه جت خروجی از سرریز سد وجود دارد. نوع اول حوضچه های مربوط به جت های دایره ای هستند که برای مثال حوضچه استغراق سد مورو پوینت در آمریکا  را می توان نام برد. نوع دوم حوضچه های استغراق مربوط به جریان جت های مستطیلی و یا تیغه ای می شوند که به عنوان نمونه در سدهای ایوم، باسرکا و آتازار در اسپانیا، سد گبیدم در سویس و سد کریستال در آمریکا  مورد استفاده قرار گرفته اند. ورود جت به داخل حوضچه، باعث مستهلک شدن مقدار قابل توجهی از انرژی جت آب در اثر عواملی چون، اصطکاک هوا و هواگیری جت در اتمسفر، پودر شدن جریان آب در هوا، برخورد به سطح آب حوضچه، ورود هوای در برگیرنده جت، نفوذ و پخش در بالشتک آب و نهایتاً برخورد با کف و ایجاد تلاطم در حوضچه و نوسانات سطح آب می گردد. این فعل و انفعالات همراه با تشدید آشفتگی جریان و نوسانات شدید فشار همراه است.

افزایش عمق آب در داخل حوضچه های استغراق باعث کاهش تأثیر هیدرودینامیک جت بر کف و دیواره ها و در نتیجه بی نیازی از تثبیت و پایداری آن می گردد اما نیاز به عمق بیشتر حوضچه دارد که معمولاً هزینه مضاعفی را در بر خواهد داشت. از طرف دیگر با کاهش عمق آب حوضچه، جت بر کف و دیواره ها قابل توجه بوده و لذا تمهیدات لازم در تحکیم و پوشش نمودن کف و دیواره ها با ضخامت مناسب مد نظر قرار می گیرد. همچنین شرایط هندسی و هیدرولیکی جت ورودی به داخل حوضچه، تأثیر مستقیم بر شدت توزیع بارگذاری کف و دیواره های حوضچه دارد. به طور کلی طراحی حوضچه های استغراق طبیعی بر مبنای تعیین عمق آبشستگی با استفاده از متغیرهای دبی، عمق پایاب، اختلاف ارتفاع سطح آب مخزن تا پایاب، ابعاد و هندسه جت ریزشی و اندازه مصالح بستر پایین دست می باشد. در بعضی شرایط به دلایل اقتصادی و ایمنی، طراحی حوضچه با استفاده از عمق آبشستگی مناسب نمی باشد که در این صورت از حوضچه های پوشش داده یا مصنوعی استفاده می شود و طراحی بر اساس تعیین توزیع فشارهای وارد به کف و دیواره ها و حدود نوسانات آن ها تحت تأثیر متغیرهای مؤثر شامل دبی، سرعت، ارتفاع ریزش، ابعاد و هندسه جت ریزشی، عدد فرود، عمق آب در حوضچه ها و ابعاد آن، انجام می شود. ویژگی هایی چون غیر همگنی، ناهمسانی و تغییرات سه بعدی خصوصیات جریان های متلاطم در سازه های مستهلک کننده انرژی و همچنین عدم وجود راه حل مشخص و معین برای تعیین فشارهای نوسانی در این سازه ها مانع از مطالعه دقیق تحلیلی این گونه جریان ها می باشد. در این موارد استفاده از مدل هیدرولیکی یکی از اساسی ترین روش ها برای بررسی و مطالعه متغیرهای هیدرولیکی از جمله فشار هیدرودینامیکی در این سازه ها می باشد. در شکل 1 یک نمونه پرتابه جامی نشان داده شده است.

پرتابه جامی

شکل 1 . پرتابه جامی

در بسیاری از مطالعاتی که در زمینه بررسی نوسانات فشارهای دینامیکی حاصل از برخورد جت انجام گرفته، بیشتر جت ها دایره ای و بر مبنای جت تشکیل شده از لوله عمودی شکل بوده و کمتر به بررسی جت های حاصل از پرتابه جامی شکل، که در واقعیت قسمت اعظمی از سازه های مستهلک کننده سدها را شامل می شوند، پرداخته شده است. بنابراین در تحقیق های اخیر مبنای تولید جت پرتابه جامی شکل مد نظر قرار گرفته شده است. در مراحل انجام این تحقیق ها، فشارهای حاصل از کل نقاط سطح برخورد جت برداشت و ثبت شده است اما روند مطالعه بر روی مشخصات فشارهای دینامیکی محور مرکزی جت تمرکز دارد، چرا که بیشترین تاثیر در ایجاد فشارهای بالا در کف حوضچه و در نهایت ایجاد ترک در دال کف و یا افزایش عمق حفره فرسایش بر اثر برخورد محور مرکزی جت انجام می گیرد. همچنین هدف نهایی این تحقیق ها، محاسبه و تحلیل مشخصاتی از فشارهای دینامیکی که در فرمول های عمومی تعیین ضخامت دال کف و یا میزان عمق آبشستگی مورد استفاده قرار می گیرند، است.

تئوری و پیشینه تحقیق پرتابه جامی

مطالعات انجام شده در زمینه حوضچه های پرتابه جامی بیشتر به منظور پیش بینی میزان آبشستگی در حوضچه انجام گرفته است. در کل، چه در حوضچه های استغراق طبیعی که بحث آبشستگی و عمق حفره فرسایش مد نظر است و چه در حوضچه های مصنوعی با بستر پوشیده شده که برآورد فشارهای دینامیکی و نوسانات آن تعیین کننده است، می توان از نتایج تحقیقات گذشته سود جست. چرا که عمق فرسایش ایجاد شده در حوضچه های استغراق طبیعی نیز بر اثر فشارهای دینامیکی وارد به کف و نوسانات آن به وجود می آید. مطالعات انجام شده در زمینه تخمین میزان فرسایش را می توان در چهار مدل کلی که شامل مدل های تجربی، مدل های تحلیلی- تجربی، مدل محاسبه فشارهای دینامیکی نهایی در کف حوضچه و مدل محاسبه اختلاف فشارهای دینامیکی در کف حوضچه خلاصه کرد. در شکل 2 یک نمونه پرتابه جامی نشان داده شده است.

پرتابه جامی

شکل 2 . پرتابه جامی

طول هسته جت در پرتابه جامی

طول هسته در واقع بر اساس طول ناحیه پایدار سازی جریان در برخورد جت آب تعیین می گردد. در برخورد جت، ابتدا در طولی از حوضچه فرآیند پایدار سازی جریان اتفاق می افتد و سپس جریان پایدار شده به کف حوضچه برخورد می کند. ناحیه پایدارسازی جریان جایی است که تنش های برشی به وجود آمده در کناره جت، سرعت را در جداره ها کاهش می دهند. پس از اتمام ناحیه پایدار سازی، جت پایدار خواهد بود و در این ناحیه دیگر اثری از هسته جت مشاهده نمی شود.

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

طول شکست جت در پرتابه جامی

برای جت های در حال سقوط از ارتفاع های زیاد، اغتشاشات سطحی آشفتگی ممکن است به قدری بزرگ باشد که در هسته جت نفوذ کرده نتیجتاً آن را به قطرات جدا از هم تجزیه کند. این پدیده تحت متغیر طول فروپاشی و یا طول شکست جت تعریف می شود. به عبارت دیگر از این فاصله به بعد جت در حال سقوط کاملاً توسعه پیدا کرده و دیگر هسته جت وجود ندارد و در واقع به مجموعه ای از گلوله ها و قطرات آب تبدیل می شود. برای هر قطره و گلوله آب به تنهایی سرعت سقوط در اثر مقاومت هوا کاهش یافته و در نهایت به سرعت حد سقوط می رسد که به وزن هر قطره یا گلوله آب وابسته است. نتیجتاً چنین درهم کنشی سبب محدود شدن ظرفیت فرسایشی جت کاملاً توسعه یافته می شود.

منابع :

1 . مقاله ی بررسی فشارهای دینامیکی ناشی از برخورد جت خروجی از پرتابه جامی شکل با در نظر گرفتن عمق پایاب از اسماعیل ثابتی و همکاران

2 . مقاله ی شبیه سازی سه بعدی نوسانات فشار دینامیکی در پرتابه جامی با استفاده از مدل FLUENT از محمد حسین کریمی پاشاکی

نویسنده

محدثه شیخ علی
فارغ التحصیل ارشد مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. علاقه مندم، موضوعات مورد علاقه ی خود را که سد و سازه های مرتبط با آن است، با شما به اشتراک بگذارم.

مشاوره از طریق واتساپ