هیدرولیک
سال:1399 | دوره:15 | شماره:4 |تعداد مقالات:8

زمین لغزش های بزرگ می تواند باعث ایجاد روگذری و به تبع آن تخریب سدها و تاسیسات وابسته به آن شوند. هزینه پایدارسازی این توده ها به علت بزرگی و گستردگی آن بسیار بالا بوده بطوریکه تخمین مناسبی از ارتفاع امواج ناشی از لغزش این توده ها به منظور تعیین ریسک روگذری امری اجتناب ناپذیر است. در این تحقیق با استفاده از مدلسازی سه بعدی توده لغزنده به داخل مخزن سد بالای سیاه بیشه با استفاده از نرم افزار Flow-3D، ارتفاع امواج ایجاد شده ناشی از این پدیده بدست می آید. برای مدلسازی توده لغزشی فرض صلب بودن توده لحاظ شده و حرکت توده بصورت ترکیبی از حرکت انتقالی و دورانی در نظر گرفته شده است. با توجه به عرض کم رودخانه در محل توده (حدود 60 متر)، حرکت توده در این فاصله محدود بوده بطوریکه تمام توده وارد آب نخواهد شد. در مقابل موج بوجود آمده ناشی از لغزش به علت برخورد با دیواره مقابل مستهلک می شود. بر اساس نتایج به دست آمده می توان گفت ارتفاع موج ایجاد شده، در نزدیکی بدنه سد از 5/2 متر تجاوز نخواهد کرد. این در حالی است که بیشترین ارتفاع موج تولیدشده در مخزن در سرعت های بالای توده از 10 متر تجاوز می کند. با استفاده از نشریه 53 کمیته ملی سدهای بزرگ ایران ارتفاع موج سطحی ناشی از لغزش توده محاسبه شده است. با توجه به جداول و روابط تجربی، ارتفاع موج در فاصله400 و 800 متری از بدنه سد حدود 2. 5 و 1 متر بدست آمده است.

در این تحقیق، میزان گشتاور انتقال یافته بهینه، از تکانه جریان آب جاری در یک کانال روباز، به پنج نوع توربین استوانه ای، مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از انجام پژوهش، یافتن توربین آبی مناسب، جهت تولید انرژی الکتریکی بیشینه می باشد. برای انجام این کار، یک توربین استوانه ای سه بعدی، به قطر و طول 1 متر، با پنج نوع پره، به شکل های مختلف، با کمک روش عددی حجم محدود، شبیه سازی گردید. مجموعه توربین و پره ها، در یک کانال مستطیلی روباز بدون شیب، به طول 10 متر و عرض 3 متر، و سرعت جریان 2 متر بر ثانیه، قرار گرفته اند. مجموعه توربین و پره ها، به طریقی طراحی شده اند که با توجه به وزنشان، به صورت شناور در عمق های استغراق مختلف، داخل کانال قرارگیرند، و با تغییر عمق جریان، عمق استغراق مورد نظر ثابت بماند. با توجه به مقدار تکانه جریان آب جاری در کانال، میزان گشتاور انتقال یافته از جریان به پره های پنج نوع توربین مورد نظر، محاسبه شده و مقدار بیشینه آن بدست آمد. نتایج نشان می دهد که، بکارگیری توربین نوع پنج، با پره هایی گسترش یافته به شکل نیم دایره در امتداد محور توربین، به تعداد 21 عدد، و قطر داخلی 10. 5 سانتیمتر، بیشترین مقدار گشتاور، برابر 458. 96 نیوتن در متر را، حاصل می آورد. لذا می توان به کمک آن، ضمن استفاده از یک مولد الکتریکی مناسب، انرژی الکتریکی بیشینه را تولید نمود.

رودخانه ها غالبا به شکل یک کانال مرکب عمل می کنند، به دلیل شرایط مساعد رطوبتی، سیلابدشت ها معمولا زیستگاه گیاهان مختلف با چیدمان و تراکم های متفاوت می باشند. درک بهتر نقش پوشش گیاهی در انتقال جریان، رسوب و آلاینده ها، نیازمند بررسی دقیق ساختار جریان در حضور پوشش گیاهی است. بنابراین در این مطالعه آزمایشگاهی، تاثیر وجود پوشش گیاهی صلب در سیلابدشت در دو چیدمان خطی و شطرنجی، سه تراکم %04/6، %64/1 و %41/0و پنج عمق نسبی 29/0، 45/0، 5/0، 67/0 و 75/0 بر پروفیل عمقی سرعت بررسی شده است. در این مطالعه، سرعت نقطه ای جریان توسط سرعت سنج پره ای در دو حالت پوشش گیاهی مستغرق و غیرمستغرق اندازه گیری شده است. نتایج نشان می دهد که پروفیل عمقی سرعت در شرایط بدون پوشش گیاهی در تمام عرض کانال مرکب به جز حدفاصل کانال اصلی و سیلابدشت از پروفیل لگاریتمی تبعیت می کند. در هنگام وجود پوشش گیاهی، پروفیل عمقی سرعت در میانه کانال اصلی مشابه الگوی رایج پروفیل سرعت در کانال های بدون پوشش گیاهی است و با دور شدن از میانه کانال اصلی و نزدیک شدن به حدفاصل کانال اصلی و سیلابدشت، از شکل لگاریتمی خارج شده و S شکل می شود. با این حال، در کانال اصلی پروفیل عمقی سرعت در ارتفاعی بالاتر از عمق لبریزی به شکل لگاریتمی می باشد. بررسی تاثیر تراکم بر پروفیل عمقی سرعت نشان می دهد که با افزایش تراکم، سرعت در کانال اصلی افزایش و در سیلابدشت کاهش می یابد. همچنین در جریان با پوشش گیاهی کاملا مستغرق، پروفیل عمقی سرعت را می توان به سه ناحیه دنباله، اختلاط و ناحیه لگاریتمی تقسیم نمود.

برای حفاظت سازه های هیدرولیکی نظیر سرریز ها، شوت ها و تخلیه کننده های تحتانی در مقابل کاویتاسیون، به طور معمول مقداری هوا به جریان در نواحی با شاخص کاویتاسیون کمتر از مقدار بحرانی، اضافه می گردد. با استفاده از هوادهنده ها می توان از فرسایش های ناشی از کاویتاسیون بر سطوح سرریز، جلوگیری نمود. معمولا هوادهنده ها روی کف و گاهی بر دیواره های جانبی سرریز نصب و باعث جدایی جریان های با سرعت بالا از سطح سرریز شده و با وارد کردن مصنوعی هوا به جریان، از فرسایش در مرزهای صلب جلوگیری می کنند. بیشتر آزمایش های انجام شده ورود و خروج هوا بر غلظت متوسط هوای جریان متمرکز بوده و نیاز به اندازه گیری مقدار و نحوه خروج هوا از جریان می باشد. لذا در تحقیق حاضر با استفاده از داده های آزمایشگاهی فیشر (2007) جهت شبیه سازی عددی جریان عبوری از هواده، به بررسی تغییرات غلظت هوا در طول بستر شوت پرداخته شده است. بدین منظور جهت مدل سازی جریان دوفازی هوا-آب از نرم افزار FLUENT استفاده شده و طول پرش جت جریان به عنوان عاملی مهم و تاثیرگذار در ورود هوا به جریان ملاک واسنجی قرار گرفته است. با توجه به اهمیت نقطه برخورد جریان به بستر شوت، نقطه مذکور به عنوان مرجع محاسبات در رابطه قرار گرفت. به طور کلی نتایج نشان داد که غلظت هوای بستر پایین دست هواده ها با افزایش عدد فرود، ارتفاع رمپ، ارتفاع پله و زاویه رمپ افزایش و با افزایش ارتفاع آب بالادست هواده، کاهش می یابد و با افزایش شیب شوت ورود هوا به جریان افزایش یافته و تغییرات غلظت هوا کاهش می یابد، لذا نیاز به حضور هواده کمتر می گردد.

سرریزهای زیگزاگی از جمله سازه های هیدرولیکی هستند که جهت تنظیم سطح آب وکنترل جریان در کانال ها، رودخانه ها و مخازن سدها احداث می شوند. این سازه، برای انتقال جریان های بزرگ در هدهای کم، با افزایش طول موثر تاج سرریز، طراحی می گردد. محور تاج این نوع سرریزها، به صورت غیر مستقیم بوده و در نمایش سطح افقی، سرریز از دیواره های متصل به هم تشکیل شده است. سرریزهای زیگزاگی با هندسه مثلثی، ذوزنقه ای، مستطیلی و قوسی با تناوب در عرض جریان تکرار می گردد. معیار اصلی در طراحی زیگزاگی سرریزها، افزایش ظرفیت انتقال جریان روی سرریز با تاج ثابت و به ازای ارتفاع معین سطح آب در بالادست سرریز بوده است. در این تحقیق از 145 داده آزمایشگاهی، شامل چهار تیپ سرریز زیگزاگی قوسی با شعاع قوس و طول تانژانت مختلف استفاده شد. ضریب دبی به صورت پارامتر بی بعد  با استفاده از آنالیز ابعادی معرفی گردید. روابط بین  و عمق بحرانی جریان () با استفاده از ترسیم نمودار مربوطه برای دو تیپ متفاوت و 983/0 R2= و 998/0 R2= بدست آمد. سپس با ترسیم نمودار مربوط به و رابطه ای برای محاسبه عمق بحرانی ارایه شد. نتایج نشان داد که مقدار دبی محاسباتی با استفاده از yc بدست آمده، با مقادیر آزمایشگاهی همخوانی دارد به طوری که رابطه بین آن ها دارای 982/0 R2= است.

پژوهش حاضر با مدل سازی فیزیکی دو شکل از پروفیل تاج سرریز کلید پیانویی استاندارد (تیپA) و تاج زیگزاگی در 5/2 سیکل انجام شد. الگوی زیگزاگ با 9 تکرار از سینوس کامل به دامنه ارتفاع 1 سانتی متر در طول تاج جانبی طراحی گردید. عمق نسبی بحرانی جریان روی تاج سرریز مطابق با محدوده تغییرات دبی عبوری در بازه (2 1/0) و بستر رسوبی با دو دانه بندی غیرچسبنده (67/6 و 13/2 =) انتخاب گردید. همچنین؛ برای انجام تحلیل ابعادی از روش پای-باکینگهام استفاده شد. نتایج نشان داد که حداکثر عمق گودال آبشستگی با کلیدپیانویی شدن سرریز لبه تیز خطی به طور تقریبی 31 درصد کاهش یافته است. با زیگزاگی شدن تاج جانبی سرریز کلیدپیانویی استاندارد (تیپA)، نشان داده شد که طول گودال آبشستگی با افزایش 15 درصدی و عمق تعادل آبشستگی با کاهش 12 درصدی نسبت به مدل شاهد رخ داده است. علاوه بر این؛ در مقادیر حداکثر عمق نسبی بحرانی hc/P و تراز پای آب hd/P نسبت به مقادیر حداقلی، مقدار حداکثر عمق آبشستگی به ترتیب 73 درصد افزایش و 90 درصد کاهش می یابد. همچنین، مشاهده شد که مقادیر آبشستگی در رسوبات ریزدانه 68 درصد بیشتر از رسوبات درشت-دانه رخ داده است. روند انتقال رسوب در گودال و پشته رسوبی با افزایش عدد فرود ذره، افزایشی است. در بازه عدد فرود ذره 7/2-1/2= Frd50 برای سرریزهای کلید پیانویی به طور متوسط مقادیر عمق و طول گودال آبشستگی با 10 درصد کاهش و 22 درصد افزایش برآورد شده است.

آبگیرهای جانبی برای انحراف آب از مسیر اصلی به کار می روند. از موارد مهم در طراحی آبگیرها، تامین شرایطی است که حداکثر آبگیری به همراه حداقل رسوب فراهم شود. علاوه بر آبگیری از قوس خارجی رودخانه، استفاده از صفحات مستغرق به منظور منحرف کردن بار بستر از دهانه آبگیر توصیه شده است. در پژوهش حاضر 27 مطالعه عددی به منظور بررسی تاثیر استفاده از صفحات مستغرق در مقدار ضریب پادرسوبی آبگیر صورت گرفته است. مطالعات در سه دسته 9 تایی انجام شده است. دسته اول بدون صفحات مستغرق، دسته دوم دو ردیف صفحه مستغرق در بالادست آبگیر نصب شدند (طرح 1) و در دسته سوم، چهار ردیف صفحه مستغرق هم در بالادست و هم درمقابل دهانه آبگیر (طرح 2) قرار داده شدند. در هر دسته پارامترهای نسبت عرض آبگیر به عرض آبراهه اصلی، موقعیت آبگیر در قوس، زاویه آبگیری و نسبت ارتفاع آستانه به عمق جریان تغییر داده شد. نتایج نشان داد طرح 1 منجر به کاهش 15 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر نسبت به حالت بدون صفحه شده است، در حالیکه طرح 2 به طور متوسط کاهش 46 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر را نسبت به حالت بدون صفحه به همراه داشته است. همچنین بیشترین ضریب پادرسوبی آبگیر مربوط به طرح 2 و در حالتی است که در آن عرض آبگیر 0. 15 عرض آبراهه اصلی، موقعیت آبگیر در فاصله 0. 65 زاویه مرکزی قوس از ابتدای قوس، زاویه آبگیری ◦ 70 و نسبت ارتفاع آستانه به عمق جریان 0. 234 باشد.

بررسی انتقال بار رسوبی در رودخانه ها و کانال های روباز از اهمیت زیادی برخوردار است. در این تحقیق رفتار تک ذره رسوبی بستر با حرکت لغزشی و غلتشی در سیلاب دشت یک کانال مرکب مستطیلی (دارای دیواره میانی قایم) به صورت آزمایشگاهی و براساس دیدگاه لاگرانژی مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور روش ردیابی ذرات منفرد در یک کانال مستطیلی مرکب مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان می دهد که توزیع سرعت طولی و عرضی و شتاب عرضی ذرات رسوبی در نواحی دور از ناحیه اندرکنش از توزیع نرمال پیروی می کند. این در حالی است که با افزایش فاصله از مرکز سیلاب دشت و نزدیکی به ناحیه اندرکنش، تبعیت پارامترهای مذکور از توزیع نرمال تضعیف می گردد. بررسی های مطالعه حاضر نشان داد که هیستوگرام شتاب طولی ذره را نمی توان با استفاده از توزیع نرمال برآورد نمود. همچنین مشاهده شد که مقدار کشیدگی هیستوگرام سرعت و شتاب با نزدیک شدن به ناحیه اندرکنش افزایش می یابد.