تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1398 | دوره:20 | شماره:74 |تعداد مقالات:10

جریان در سرریز های جانبی، موضوع بسیاری از مطالعات هیدرولیکی بوده است. اغلب این مطالعات مربوط به ضریب بده سرریز جانبی لبه تیز و با مقطع مستطیلی می باشد و ضریب بده سرریز های جانبی لبه پهن با مقاطع دیگری، نظیر ذوزنقه ای کمتر مورد توجه قرار گرفته است. تحقیق حاضر با انجام 187 آزمایش به-منظور بررسی ضریب بده سرریز جانبی لبه پهن ذوزنقه ای، تحت شرایط رژیم جریان زیر بحرانی صورت گرفته است. از آنجایی که معادله دینامیکی حاکم بر سرریز های جانبی به دلیل غیرخطی بوده و دارا بودن متغیر های زیاد، دارای حل تحلیلی کامل نمی باشد، لذا در این تحقیق با استفاده از روش عددی رانگ کوتای مرتبه چهارم، نیمرخ سطح آب در طول سرریز جانبی محاسبه شد. با بررسی نتایج آزمایشگاهی و با استفاده از تحلیل ابعادی و آماری روابطی به منظور تخمین ضریب بده پیشنهاد شد. مشخص گردید ضریب بده سرریز جانبی ذوزنقه ای لبه پهن به عدد فرود جریان بالا دست، نسبت عمق جریان به پهنای تاج سرریز و شیب جداره جانبی سرریز بستگی دارد. رابطه پیشنهادی تخمین ضریب بده دارای خطایی در حدود 4 درصد است و نشان می دهد روش حل عددی دقیق است.

سرریزهای جانبی سازه هایی هیدرولیکی هستند که در دیواره ی جانبیکانالنصب می شوند و جریان مازاد بر دبی طراحی را از کانال خارج می کنند. سرریزهای کنگره ای در پلان دارای شکستگی اند و در نتیجه طول موثر و در برخی موارد ضریب دبی بیشتری نسبت به سرریزهای ساده دارند. در تحقیق حاضر، تأثیر استفاده از شمع ها با آرایش های مختلف بر ضریب دبی سرریز جانبی کنگره ای نیم دایره ای تک سیکل بررسی شده است. آزمایش ها در کانال مستطیلی و شرایط زیر بحرانی و محدوده یعدد فرود 37/0-1/0 اجرا شده اند. سه قطر مختلف برای سرریزهای جانبی کنگره ای نیم دایره ای با ارتفاع ثابت در نظر گرفته شد. شمع های مورد استفاده استوانه ای و هم ارتفاع با سرریز جانبی هستند. تعداد شمع ها از 1 تا 3 و در کل 14 آرایش برای آنها در نظر گرفته شد. ابتدا تأثیر پارامترهای بی بعد استخراج شده از روش باکینگهام بر ضریب دبی سرریز جانبی بررسیو پس از آن رابطه ای برای محاسبه ی ضریب دبی سرریز جانبی کنگره ای نیم-دایره ای همراه با شمع ها با دقت قابل قبولاستخراج شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد که ضریب دبی سرریز جانبی کنگره ای نیم دایره ای در حالتی که شمع وجود دارد بیشتر از حالت بدون شمع است. در واقع وجود شمع باعث بهبود عملکرد هیدرولیکی سرریزهای جانبی نیم دایره ای می شود به طوری که در محدوده عدد فرود مورد مطالعه، ضریب دبی سرریزها تا 15 درصد افزایش و تغییرات انرژی مخصوص در طول سرریزها تا 34 درصد کاهش می یابد. بیشترین افزایش در ضریب دبی و بیشترین کاهش در تغییرات انرژی مخصوص مربوط به آرایشی است که سه شمع در لبه ی پایین دست سرریز قرارگیرند.

در این پژوهش، ناهمواری ها در پایین دست سرریز اوجی برای جریان های مختلف شبیه سازی عددی شده و اثر ناهمواری در تغییر رژیم جریان، پروفیل سطح آب و افت انرژی بررسی شده است. بر این اساس پس از ایجاد دامنه ی حل، مش بندی و مشخص کردن شرایط مرزی، شبیه سازی عددی با استفاده مدل آشفتگی k-e استاندارد اجرا و برای صحت سنجی نتایج عددی از مدل آزمایشگاهی سرریز اوجی چاتیلا و تابارا(Chatila & Tabbara, 2004) استفاده شده است. در ادامه نیز به تاثیر سه نوع ناهمواری در پایین دست سرریز و مقایسه آن با حالت شاهد و بر مشخصات جریان پرداخته شده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد با افزایش ارتفاع ناهمواری ها میزان افت انرژی تا 80 درصد نیز افزایش می یابد. به طور متوسط نیز ناهمواری های 3 و 4 که باعث تغییر رژیم جریان شده اند و بین 50 تا 70 درصد افت انرژی ایجاد کرده اند. افزایش دبی جریان بر پروفیل سطح آب و افت انرژی تاثیر مستقیم دارد. بر اساس نتایج به دست آمده، اگر طراحی حوضچه ی آرامش مد نظر باشد، ناهمواری ها با ارتفاع Hd6/0 قادر به تغییر رژیم جریان هستند و به عنوان موفق ترین طرح پیشنهاد می شود.

در این تحقیق، درستی معادلات مختلف افت اصطکاکی برای جریان آزاد غیر دارسی در محیط های متخلخل سنگریزه ای ارزیابی شد که توزیع عمودی فشار در آنها غیر هیدرواستاتیک است. بیشتر معادلات ارائه شده برای جریان غیر دارسی بر اساس نتایج آزمایش های صورت گرفته در دستگاه های نفوذسنج و برای جریان یک بعدی است در حالی که به دلیل افت زیاد انرژی و شیب سطح آب در جریان آزاد درون محیط های متخلخل سنگریزه ای، انتظار می رود جریان دو بعدی و توزیع فشار غیر هیدرواستاتیک باشد. در این مطالعه با آزمایش هایی روی یک محیط متخلخل به طول 1 متر و شامل سه نوع سنگریزه با قطرهای متوسط 68/1، 27/2 و 84/4 سانتی متر و در دو دمای متفاوت آب به بررسی درستی برآورد مقدار افت انرژی جریان توسط معادلات مختلف جریان غیر دارسی پرداخته شده است. با افزایش دبی و افزایش زاویه ی سطح آب از 6 درجه، اختلاف بین عمق آب و فشار پیزومتری افزایش می یابد. همچنین، بر اساس تحلیل آماری، مناسب ترین معادله ی افت اصطکاکی در جریان غیر دارسی با سطح آزاد، معرفی و با تحلیل حساسیت نیز مشخص شد که معادله ی معرفی شده کمترین حساسیت را نسبت به تغییرات مقادیر ورودی دارد و نیز اینکه تخلخل، سرعت ظاهری جریان، قطر متوسط ذرات و لزوجت سینماتیک به ترتیب بیشترین تأثیر را بر نتایج دارند.

جریان آب عبوری از سرریز سدها انرژی جنبشی بالایی دارد که می تواند آسیب های زیادی بر تأسیسات پایین دست و فرسایش شدید بستر رودخانه وارد کند. انرژی معمولاً با ایجاد حوضچه ی آرامش در پایین دست سرریزها، پرتاب کننده های جامی شکل و پلکان در سرریزها مستهلک می شود. سرریزهای پلکانی یکی از سازه های متداول به منظور استهلاک انرژی و نیز کاهش ابعاد حوضچه ی آرامش در سدهاست. در این پژوهش، تأثیر ایجاد کنگره ها با ارتفاع 5/0 و 75/0 ارتفاع پلکان (h)، فواصل کارگذاری برابر و دو برابر ارتفاع پلکان و سه اندازه ی زبری سطح پلکان به ترتیب برابر با 002/0، 004/0 و 006/0 متر بر افت انرژی کل در پایین دست سرریز پلکانی با شیب های 1: 1، 1: 2 و 1: 3 به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. بررسی نتایج نشان می دهد در سرریز پلکانی با شیب 1: 1 ایجاد کنگره با ارتفاع h5/0، فاصله ی کارگذاری h2 و طولی برابر با طول پلکان به افزایش 7/12 درصد در افت انرژی می انجامد. تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده در سرریز پلکانی با شیب 1: 2 نشان می دهد ایجاد کنگره با ارتفاع h75/0 و فاصله ی کارگذاری h2 و طول کنگره برابر با ارتفاع پلکان، میزان افت انرژی را 4/8 درصد نسبت به حالت بدون کنگره افزایش می دهد. مقایسه ی نتایج حاکی از آن است که در سرریز پلکانی با شیب 1: 3 ایجاد آستانه ای یکپارچه با طول h و ارتفاع h5/0 با افزایش 7/4 درصد در افت انرژی، نسبت به حالت بدون کنگره، مناسب ترین عملکرد را دارد. مقایسه ها همچنین نشان می دهد اِعمال زبری در سرریزهای مورد مطالعه عملکرد آنها را کاهش می دهد و میزان افت نسبی انرژی را به طور متوسط 6/3 درصد نسبت به حالت های بدون زبری کم می کند.

توزیع ناعادلانه ی آب در شبکه های آبیاری، لزوم استفاده از روش های کارآمدتر مانند بهره گیری از روش های خودکارسازی را می طلبد. تحقیق حاضر میزان توانایی سامانه ی کنترل خودکار سراسری پیش بین (MPC) و سامانه ی کنترل موضعی تناسبی-انتگرالی (PI) را در بهبود توزیع عادلانه ی آب در کانال اصلی شبکه ی آبیاری رودشت بررسی می کند. مقایسه ی این سامانه ها با وضعیت موجود بهره برداری، با شاخص های ارزیابی حداکثر خطای مطلق 3(MAE) و خطای مطلق تجمعی 4(IAE) و شاخص عدالت توزیع انجام شد. دو سناریوی نوسانات جریان ورودی ملایم و شدید لحاظ گردید. نتایج شاخص های MAE و IAE شبیه سازی سناریوی اول در آبگیرهای بالادست، عملکرد مناسب تر سامانه های PI را در مقایسه با کنترل گرMPC نشان می دهد. سامانه یMPC، با میزان 12 درصد بهبود، بهترین عملکرد را از منظر توزیع عادلانه داشته است. در سناریوی دوم، حداکثر مقادیر شاخص های IAE و MAE برای سامانه ی MPC به ترتیب 53/3 و 45/1 درصد به دست آمد درحالی که برای PI حتی بیش از 100 درصد هم گزارش شده است. در سناریوی دوم، شاخص عدالت توزیع برای چهار روش بهره برداری وضع موجود، سامانه ی PI کنترل بالادست، سامانه ی PI کنترل پایین دست و سامانه ی MPC به ترتیب 23/39، 71/18، 95/15 و 33/4 درصد به دست آمدکه در بین سامانه ها، کنترل-گر MPC، با بهبود 35 درصد در توزیع عادلانه ی آب، عملکرد مطلوبی به دست داده است.

سرریز پلکانی و حوضچة آرامش از مهم ترین سازه های مستهلک کنندة انرژی محسوب می شوند. با این که بخش قابل توجهی از انرژی جریان با این دو سازه مستهلک می شود انرژی باقی مانده در جریانورودی به پاشنة سرریز، قادر به تخریب احتمالی آن خواهد بود. در این پژوهش تأثیر شیب حوضچة آرامش بر آبشستگی پایین دست در حضور سرریز پلکانی به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. آزمایش ها در آزمایشگاه سازه های هیدرولیکی دانشگاه شهید باهنر کرمان با شش دبی مختلف و پنج شیب کف حوضچة آرامش اجرا شد. پارامترهای مختلف از جمله حداکثر عمق آبشستگی (ds)، سرعت جریان، عمق آب در سراب و پایاب، عمق آب در انتهای حوضچة آرامش، فاصلة وقوع حداکثر عمق آبشستگی و منطقة توسعة حفرة آبشستگی تا حوضچة آرامش به ترتیب (Lsو Lt). اندازه گیری شد. با مقایسة نتایج به دست آمده با آزمایش شاهد در حالت حوضچه آرامش با شیب کف 02/ و 02/0-، متوسط عمق آبشستگی نسبی به ترتیب 47 درصد افزایش و 2/52 درصد کاهش یافته است. فاصلة حداکثر عمق آبشستگی نسبی و فاصله انتهای منطقه توسعه حفره آبشستگی با افزایش عدد فرود ذره افزایش و با افزایش شیب کف حوضچه آرامش این مقدارها افزایش و با کاهش شیب کف حوضچه آرامش کاهش یافتند.

تخمین مقاومت هیدرویکی جریان در کانال های روباز به واسطه ی وجود جریان های ثانویه و لزجت گردابی همواره با چالش جدی مواجه بوده است. به واسطه ی وجود اثر جداره ها بر موقعیت سرعت حداکثر، تعیین سهم لوله های جریان در بستر و جداره با خطا مواجه است. برای این منظور در این تحقیق ابتدا با استفاده از روش ترسیم تطابقی و رسم خطوط هارمونیک جریان و پتانسیل، سهم لوله های جریان در بستر و جداره تخمین زده شده؛ پس از آن، با حذف اثر عوامل ایجادکننده ی گرادیان سرعت در نتایج ساده شده ی حل توام معادلات پیوستگی و ممنتم، مقادیر تنش برشی حاصل از وزن لوله های جریان در بستر و جداره ها محاسبه گردید. از مقایسه ی نتایج حاصل از روش ترسیم تطابقی با نتایج آزمایشگاهی اندازه گیری مستقیم تنش برشی، میزان اندرکنش گردایان سرعت بر نتایج تنش برشی به روش ترسیم تطابقی تعیین گردید. بررسی-ها نشان می دهد که با افزایش نسبت ظاهری، اثر گرادیان سرعت کاهش می یابد، به گونه ای که با افزایش نسبت ظاهری از 1 به 20، میزان اثر گرادیان سرعت بر تخمین تنش برشی بستر به ترتیب از 7 به 1 درصد و در جداره از 15 به 3 درصد کاهش می یابد. سرانجام با ارائه ی روابطی مقادیر تدقیق شده ی تنش برشی در بستر و جداره معرفی شده اند.

تعیین ضریب اصطکاک در بسترهای فرسایش پذیر اهمیت زیادی در طراحی کانالهای آبرفتی دارد. در خصوص پارامترهای مؤثر بر ضریب اصطکاک در بسترهای غیر فرسایشی، تاکنون مطالعات گسترده ای صورت گرفته است. در این تحقیق با اجرای مدل آزمایشگاهی در بسترهای فرسایش پذیر، پارامترهای شیب بستر و میزان انتقال بار بستر بر ضریب اصطکاک بستر بررسی شده است. آزمایش ها در دبی های90/0 تا 75/4 لیتر در ثانیه و شیب های 2، 3 و 5 درصد روی بار بستر از ذرات غیر چسبنده ی یکنواخت با دانه بندی با قطرهای متوسط 7/1 و 29/3 میلی متر اجرا شده و عدد رینولدز برشی در محدوده ی 82 تا 343، عدد فرود حاصل از 93/0 تا 51/1 و دبی بی بعد انتقال بار بستر در محدوده ی 004/0 تا 311/0 به دست آمده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد بین شیب سه تا شیب پنج درصد، ضریب اصطکاک بستر و عدد رینولدز برشی به صورت قابل ملاحظه ای افزایش می یابد در حالی که بین شیب دو تا سه درصد این افزایش چندان قابل توجه نیست. با تحلیل نتایج آزمایشگاهی مشخص شده است با افزایش میزان انتقال بار بستر، ضریب اصطکاک بدون حرکت بار بستر یا مقاومت اصطکاکی جریان (fc) کاهش و افت اصطکاک ناشی از حرکت بار بستر یا مقاومت حرکت بار بستر (fm) افزایش می یابد. به کمک آنالیز ابعادی، پارامترهای تأثیرگذار بر (fm)بررسی گردید و رابطه ای تجربی برای تعیین fm ارائه و با نتایج آزمایشگاهی محققان پیشین صحت-سنجی شد و نتایج قابل قبولی به دست آمد.

وضعیت مدیریت آب آبیاری در هشت مزرعه ی گندم آبی در اراضی کشاورزی واحد های عمرانی مرزآباد، موسیان و پتک تحت پوشش شبکه ی آبیاری پایاب سد مخزنی دویرج دهلران بررسی شده است. شرایطپایین-دستجریاندرتمامینوارهابه صورتانتها بازبودوبانصبفلوم هایWSC در ابتدا وانتهاینوارها، هیدروگراف حجم آب ورودی وروانابخروجیاندازه گیریشد. پارامترهای راندمان کاربرد در مزارع مورد مطالعه با مقادیر شبیه سازی شده با نرم افزار WinSRFR مقایسه گردید. حداقل و حداکثر رواناب اندازه گیری در مزارع مورد آزمایش به ترتیب 9/18 و 1/33 درصد و در حالت شبیه سازی، 12 و 42 درصد به دست آمده. در 75 درصد از مزارع مورد مطالعه، تلفات نفوذ عمقی وجود نداشت. حداقل وحداکثر میانگین راندمان کاربرد به ترتیب 3/60 و 5/80درصد و در حالت شبیه سازی، 56 و 88درصد به دست آمد. میانگین راندمان کاربرد اندازه گیری شده در هشت مزرعه ی مورد آزمایش 7/69 درصد به دست آمد. زیاد بودن راندمان کاربرد آب آبیاری به دلیل مدیریت نامناسب در اعمال کم آبیاری های نا خواسته از طرف کشاورزان است.