مطالعه آزمایشگاهی اثر تمایل بلوک‌ها بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش USBR III

Abstract

سابقه و هدف: یکی از روش‌های متداول برای استهلاک انرژی جنبشی جریان در پایین‌دست سازه‌های آبی در حوضچه-های آرامش پرش هیدرولیکی می‌باشد. پارامترهایی چون طول پرش، نسبت عمق ثانویه به عمق اولیه و میزان افت انرژی از جمله پارامترهای مهمی هستند که بر اقتصادی کردن سازه حوضچه آرامش تاثیر فراوانی دارند. از نظر تاریخی، نخستین بار پرش هیدرولیکی توسط بیدون در سال 1818 مورد بررسی قرار گرفت. از آن زمان تاکنون، محققین زیادی با به کارگیری زبری‌های مکعبی، لوزی و ذوزنقه‌ای شکل، بلوک‌های دارای انحنا در وجه بالادست و بلوک‌های بدون انحنا، بستر موجدار سینوسی، نوارهایی با مقطع ذوزنقه‌ای، دیوارهای ممتد و زبری‌های نواری مستطیلی خصوصیات این پدیده را مطالعه کرده اند.. با وجود این، علیرغم گذشت دو قرن از شروع مطالعات در مورد پرش هیدرولیکی، هنوز مسائل ناشناخته‌ای در مورد آن وجود دارد که محققین را برای ادامه پژوهش ترغیب می نماید. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر تغییر زاویه بلوک‌های میانی در حوضچه آرامش ΙΙΙ USBR بر مشخصه‌های پرش است.<br />مواد و روش‌ها: آزمایشهای این تحقیق در کانال آزمایشگاهی با دیواره‌های شفاف و بستر صاف با مقطع مستطیلی به عرض یک متر، عمق 85 سانتمیتر و طول 15 متر صورت گرفت. مدل شامل مخزن تامین آب، دریچه کشویی لبه تیز با بازشدگی ثابت 3 سانتی متر و یک دریچه پروانه‌ای در انتهای پایین دست کانال برای تنظیم عمق پایاب و فلومتر برای اندزه‌گیری دبی جریان است. بخشی از ابتدای کانال که بلافاصله بعد از دریچه مخزن قرار دارد، به عنوان حوضچه آرامش در نظر گرفته شده، سپس بلوک‌های میانی و آبپایه انتهایی بر مبنای ابعاد استاندارد حوضچه آرامش ΙΙΙ USBR داخل کانال نصب گردید. در این مطالعه بلوک‌های میانی در دو وضعیت واگرا و همگرا نسبت به محور مرکزی کانال قرار داده شد و در هر وضعیت 8 زاویه استقرار 10،20،30،40،50،60،70،80 درجه برای بلوک‌ها در نظر گرفته شد. پس از برقراری دبی مورد نظر، دریچه‌ی انتهایی فلوم برای تشکیل پرش غیرمستغرق با پنجه‌ی قرارگرفته در ابتدای فلوم در زیر دریچه‌ی بالادست تنظیم گردید و مقادیر دبی جریان، طول پرش، عمق آب اولیه و ثانویه پرش اندازه‌گیری و عکسبرداری متوالی از پروفیل پرش انجام شد. دامنه تغییرات مقادیر دبی و عدد فرود از 39 الی 7/81 و 44/4 الی 56/8 بود. در مجموع 180 آزمایش برای پرش‌های کلاسیک، تیپ سه استاندارد و وضعیت‌های واگرا و همگرا انجام شد.<br />یافته‌ها: در وضعیت همگرا با افزایش زاویه استقرار بلوک‌ها تا 30 درجه، طول پرش به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می-یابد و با افزایش بیشتر زاویه بلوک‌ها، جبهه‌ی پرش از دیواره‌های قائم کانال جدا شده و به سمت خط مرکزی کانال منحرف شده و نهایتاً طول پرش افزایش می‌یابد.<br />نتیجه‌گیری: نتایج نشان می‌دهند که افزایش زاویه استقرار بلوک ها تا 30 درجه در حالت همگرا باعث کاهش طول پرش به میزان متوسط 40 درصد و کاهش نسبت عمق ثانویه به میزان 10 درصد می‌گردد و افت انرژی نسبی را به 75 درصد می‌رساند. میزان این تغییرات در زاویه همگرایی بلوک 30 درجه با افزایش عدد فرود، برای افت انرژی نسبی و طول نسبی پرش افزایش و برای نسبت عمق ثانویه کاهش می‌یابد. علت اصلی کاهش طول پرش بعلت تشدید جریانهای ثانویه ناشی از تمایل بلوکها در زاویه 30 درجه است. همچنین در وضعیت واگرا برای همه زوایای استقرار بلوک‌ها افزایش طول پرش مشاهده گردید.