بررسی آزمایشگاهی خصوصیات نوسانات سطحی حاصل از عبور جریان از میان پوشش گیاهی صلب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 دانش آموخته دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

در اثر عبور و برخورد جریان با پوشش گیاهی، در بالادست گیاه ناحیه پرفشار و در پایین دست ناحیه کم فشار تشکیل می‌گردد. وجود این اختلاف فشار، موجب جدایی لایه‌ی مرزی و به دنبال آن تشکیل گردابه در پایین دست پوشش گیاهی می‌شود. با برابر شدن فرکانس انتشار ورتکس از پوشش گیاهی و فرکانس طبیعی مجرا، موج و نوسان سطحی ایستا در جهت عمود بر مسیر اصلی جریان تشکیل خواهد شد. در مجاری طبیعی در قسمت‌هایی که سرعت جریان کم است، احتمال رشد گیاهان زیاد است، بدین ترتیب همیشه جریانی آزاد در کنار جریانی که از میان گیاهان می‌گذرد وجود خواهد داشت. در تحقیق حاضر به مقایسه‌ی خصوصیات نوسانات سطحی و عرضی جریان ناشی از پوشش گیاهی (موانع صلب) در حالت‌های مختلفی که موانع درصدهای متفاوتی از عرض مجرا را پوشانده‌اند، پرداخته شده است. در این پژوهش 378آزمایش در یک کانال مستطیلی به طول 9متر و عرض 50سانتیمتر انجام شد. دبی جریان در آزمایش‌ها بین 5تا 15لیتر بر ثانیه متغیر بود. بررسی‌ها نشان داد که با افزایش درصد عرض پوشیده شده از موانع، نوسانات عرضی در عمق‌های بزرگتر تشکیل می‌گردد که دارای دامنه‌ی نوسان بزرگتری نیز هستند. همچنین در یک عمق جریان ثابت با افزایش درصد عرض پوشیده شده از موانع، دامنه‌ی نوسان افزایش پیدا نمود. در نهایت با استفاده از آنالیز ابعادی و تحلیل آماری، روابطی جهت پیش بینی دامنه‌ی نسبی نوسانات عرضی با دخالت درصد عرض پوشیده شده از موانع استخراج شد؛ همچنین صحت روابط پیشنهادی با داده‌های آزمایشگاهی مورد تأیید قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of the Characteristics of Surface Oscillations due to Passing flow Through Rigid Vegetation

نویسندگان [English]

  • N. Shahkarami 1
  • E. Moghaddasi 2
1 Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Graduated Student of Water Science Engineering, Shahid Chamran University, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

By passing and strike flow with vegetation, pressure area in upstream of plant and low pressure area in its downstream is formed. The pressure difference created in this way triggers separation of the boundary layer and consequently formation of vortices downstream of vegetation. When the frequency of vortex rooted from vegetation becomes equal to the natural frequency of the channel, transverse stationary surface waves are generated. In natural channels in areas where the flow rate is on the wane, the probability of growing plants is on the rise, incontrovertibly there is a free flow beside a flow passing through the plants.
In this study, the characteristics of the surface transverse oscillations caused by vegetation, introduced as rigid barriers, were investigated under different configurations of barriers and over a range of width percentage covered by obstacles (WPO). Totally, 378 experimental tests were conducted in a rectangular channel of 9 m length and 50 cm width. The variables studied included flow discharge, flow velocity and WPO. Moreover, flow discharges were ranged from 5 to 15 liters per second. It is shown that, as long as WPO increases, transverse oscillation are formed at larger depths, which also have a larger oscillation amplitude. For a certain flow depth, increasing WPO results in growth of oscillation amplitudes. Based on dimensional analysis, regression relationships were extracted to predict the relative amplitude of transverse oscillations as a function of WPO, among other affecting parameters. Overall, the empirical equations proposed in this study were found to reproduce experimental results with acceptable accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Open channel Flow
  • Rigid vegetation
  • Vertex shedding
  • Transverse oscillation
  • Surface oscillations characteristics
[1] J.H. Arakeri, Collapse of the Tacoma Narrows Bridge, Resonance – Journal of Science Education, 10(8) (2005) 97-102.
[2] L. Zima, N.L. Ackermann, Wave generation in open channels by vortex shedding from channel obstructions, Journal of Hydraulic Engineering, 128(6) (2002) 596-603.
[3] J.C. Schuster, Canal capacity, wave formation by bridge piers, 1967.
[4] A. Sarkar, Vortex-excited transverse surface waves in an array of randomly placed circular cylinders, Journal of Hydraulic Engineering, 138(7) (2012) 610-618.
[5] M. Ghomeshi, S.A. Mortazavi-Dorcheh, R. Falconer, Amplitude of wave formation by vortex shedding in open channels, Journal of Applied Sciences, 7 (24) (2007) 3927-3934.
[6] A. Jafari, M. Ghomeshi, M. Bina, S.M. Kashefipour, Experimental study on ten modes of transverse waves due to vertical cylinders in open channels, Journal of Food, Agriculture and Environment, 8(2) (2010) 949-955.
[7] A. Defina, IrenePradella, Vortex-induced cross-flow seiching in cylinder arrays, Advances in Water Resources, 71 (2014) 140-148.
[8] D.P. Viero, I. Pradella, A. Defina, Free surface waves induced by vortex shedding in cylinder arrays AU - Viero, Daniele P, Journal of Hydraulic Research, 55(1) (2017) 16-26.
[9] M.H. Purmohammadi, M. Ghomeshi, S.H. Mosavi Jahromi, S.M. KashefiPour, M. Fathi Moghadam, The study of impact of obstacle shape on the characteristics of transverse waves, Irrigation Sciences and Engineering, 39(1) (2016) 11-20 (in Persian).
[10] B. Shahmoradi, M. Ghimeshi, S. Mostafavi, Experimental Investigation of the Effect of Submerged Cubic Obstacles on The Transverse Wave In A Rectangular Channel, Irrigation Sciences and Engineering, 40(1-1) (2017) 27-37 (in Persian).
[11] S. Mostafavi, M. Ghomeshi, B. Shahmoradi, Study of maximum relative amplitude formation due to vortex shedding of submerged obstacles, Irrigation Sciences and Engineering, 39(3) (2016) 209-215 (in Persian).
[12] J.H. Lienhard, Synopsis of lift, drag, and vortex frequency data for rigid circular cylinders, Washington state university college of engineering, research division, 1966.
[13] J.S. Fitz-hugh, Flow induced vibration in heat exchangers, Proceedings of UKAEA/NPL International Symposium on Vibration Problems in Industry, Windscale, Cumberland, Keswick, (1973) 1-17.
[14] A. Jafari, M. Ghomeshi, M. Bina, S.M. Kashefipour, A new equation for obtaining the strouhal number wave due to water passing cylindrical barriers, Journal of Irrigation Science and Engineering, 34 (2011) 45-54 (in Persian).