5389
شناسه پست: 5389
بازدید: 129

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

آب زمانی که از روی سرریز عبور می کند یا از مجراهای تحتانی تخلیه می شود دارای سرعت فوق العاده زیاد می شود. در چنین مواقعی جریان فوق بحرانی بوده و انرژی جنبشی زیاد و مخرب دارد. برای این که این انرژی جنبشی مخرب از آب گرفته شود، سازه های مستهلک کننده انرژی به کار گرفته می شوند. سازه های هیدرولیکی نظیر حوضچه آرامش عمدتاً به منظور استهلاک انرژی در پایین دست سرریزها استفاده می شوند. ابعاد حوضچه های 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 اقتصادی زیادی به همراه داشته باشد. بلوک های موجود در حوضچه آرامش با ایجاد نیرویی در خلاف جهت جریان باعث کاهش طول پرش هیدرولیکی می شوند. این بلوک ها چون پیوسته نیستند باعث جدا کردن جت ورودی شده و این مسأله خود به خود باعث افزایش تنش برشی و در نتیجه تلاطم بیش تر می گردد.

با توجه به پژوهش های انجام شده توسط راور و همکاران، زبری بستر عامل مؤثری در کاهش هزینه های حوضچه های استهلاک انرژی می باشد. از این رو هدف پژوهش های بعدی پژوهشگران، به کارگیری بسترهای موج دار در کف حوضچه های آرامش و بررسی تأثیر این نوع از زبری ها بر ویژگی های پرش هیدرولیکی بوده است. از آن جا که مقاومت حوضچه آرامش در مقابل فرسایش و کاویتاسیون دارای اهمیت می باشد، بر اساس نظر اید و راجاراتنام، نوارهای زبری در داخل حوضچه باید به نحوی قرار گیرند که تاج آن ها، هم سطح بستر بالادست بوده و نقش گودافتادگی را ایفا نمایند. غزالی و همکاران به بررسی تأثیر زبری های 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 زبری طبیعی بستر بر نسبت عمق اولیه به ثانویه، استهلاک انرژی نسبی پرش هیدرولیکی، ضریب نیروی برشی، مقایسه نتایج آزمایشگاهی حاضر با نتایج سایر پژوهش های مشابه بر روی انواع بسترهای زبر و نهایتاً ارائه روابطی برای هر یک از موارد فوق بوده است.

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

به طور کلی پرش هیدرولیکی در مقاطع مستطیلی افقی را می توان به دو دسته پرش هیدرولیکی در مقاطع مستقیم (جهش کلاسیک) و واگرا طبقه بندی کرد. هر کدام از این پرش ها خود می توانند بر اساس استفاده یا عدم استفاده از ضمایم کنترل کننده پرش (آستانه انتهایی یا بلوک های کف) به دو نوع پرش کنترل شده و آزاد تقسیم بندی شوند.

در یک سازه کنترل، اغلب از لحاظ اقتصادی به صرفه است تا عرض دریچه را به حداقل رسانده و از عرض کامل کانال برای حوضچه آرامش استفاده کرد. ساده ترین حوضچه آرامش، شامل کانالی مستطیلی، مستقیم و تقریباً افقی است که در آن جهش در طول مشخصی اتفاق می افتد. ولی این نوع حوضچه آرامش دارای مشکلاتی نظیر نیاز به تراز نسبتاً زیاد پایین دست برای تضمین تشکیل جهش و پایداری نسبتاً ضعیف جهش است. برای رفع این مشکلات، راه حل های مختلفی از جمله تغییر تدریجی عرض حوضچه در طول آن وجود دارد.

اولین آزمایش در مورد پرش هیدرولیکی در مقاطع واگرا، توسط ریگل انجام گرفت. جاگر را باید به عنوان اولین محققی دانست که تئوری اندازه حرکت را برای مقاطع مستطیلی افقی و واگرا به درستی به کار برد. کلوسیوس و احمد پرش هیدرولیکی دایره ای را با فرض پروفیل خطی جهش بین عمق اولیه و ثانویه جهش مورد مطالعه قرار دادند. این دو محقق نشان دادند که با افزایش زاویه واگرایی، میزان عمق ثانویه و طول جهش در مقایسه با جهش در مقاطع مستطیلی مستقیم کاهش می یابد و طول جهش در این حالت در حدود 3/5 تا 4/5 برابر عمق ثانویه است. اربهابهیراما و ابلا با در نظر گرفتن پروفیل جهش به صورت ربعی از بیضی، مطالعه قبل را تکرار کردند. رابطه نسبت عمق ثانویه ارائه شده توسط این دو محقق برای زوایای واگرایی آزمایش شده مطابقت خوبی با مشاهدات داشت. مقایسه بین روش آن ها و روش کلوسیوس و احمد، مطابقت بهتر داده ها، زمانی که پروفیل جهش غیر خطی در نظر گرفته می شود را نشان می دهد. در شکل 1 یک نمونه پرش هیدرولیکی نشان داده شده است.

بررسی پرش هیدرولیکی

شکل 1 . پرش هیدرولیکی

وجود آستانه ها یا بلوک ها در حوضچه های آرامش موجب افزایش میزان استهلاک انرژی و کاهش سرعت کف در جهش هیدرولیکی می شوند. مطالعات زیادی برای بررسی اثر آستانه ها در حوضچه های مستطیلی مستقیم انجام گرفته است. بر اساس نتایج این تحقیقات، اثر آستانه روی خصوصیات جهش بستگی به فاکتورهایی نظیر شکل، موقعیت و ارتفاع آستانه دارد.

اولین مطالعه در زمینه کنترل جهش به وسیله یک آستانه توسط شکری انجام گرفت. وی با انجام آزمایش هایی نشان داد که عدد فرود اولیه، فاصله قرار گیری آستانه از پنجه، ارتفاع نسبی آستانه و همچنین عمق پایاب، در چگونگی شکل گیری جریان عبوری از روی آستانه موثرند. رند با قرار دادن یک آستانه در مسیر جریان نشان داد که با افزایش ارتفاع آستانه و کاهش فاصله قرار گیری آستانه نسبت به پنجه جهش، عمق آب در پایاب کاهش می یابد.

از مجموع مطالعات گذشته می توان نتیجه گیری کرد که در پرش هیدرولیکی واگرا نسبت عمق ثانویه و طول جهش کمتر و افت نسبی انرژی بیشتر از جهش کلاسیک است. انتظار می رود که استفاده از آستانه لبه تیز موجب بهبود عملکرد جهش واگرا و کاهش بیشتر طول حوضچه شده و از این رو هزینه ساخت کاهش یابد. از آنجایی که اثر آستانه لبه تیز در حوضچه های واگرا تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است، در این تحقیق مشخصات جهش هیدرولیکی واگرای کنترل شده به وسیله یک آستانه لبه تیز به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است.

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

پرش هیدرولیکی

شکل 2 . پرش هیدرولیکی در کانال

بزاز و قربانی در تحقیقی روی تأثیر طول موج زبری ها بر ویژگی های پرش هیدرولیکی نشان دادند که طول زبری ها، طول پرش را به اندازه 20 تا 42 درصد و عمق ثانویه پرش را به اندازه 10 تا 18 درصد کاهش می دهند. عزیزی و همکاران، تحقیقی به منظور بررسی تأثیر صفحات مستغرق در حوضچه های 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 برای ایجاد پرش به مقدار 10 درصد و افزایش ضریب نیروی برشی تا حدود 12 برابر نسبت به بستر صاف شوند. همچنین در مقایسه با پرش هیدرولیکی روی بستر صاف نتایج نشانگر آن است که صفحات می توانند مقدار ضریب نیروی برشی در بسترهای زبر را تا حدود 12 برابر نسبت به بستر صاف افزایش دهند. طول پرش نیز در بهترین حالت با کاهش 25 درصدی روبرو خواهد شد. تاکنون مطالعات گسترده ای روی بسترهای زبر با مشخصات فوق انجام شده است، ولی روی بستر سنگ چین مطالعات قابل توجهی انجام نشده است.

منابع :

1 . مقاله ی بررسی آزمایشگاهی مشخصات جهش هیدرولیکی کنترل شده توسط آستانه لبه تیز در حوضچه های آرامش واگرا از امیر گُرد نوشهری و همکاران

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

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

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.

همکاری در فروش فایل

همکاری در فروش فایل
مشاوره از طریق واتساپ