بررسی عددی و آزمایشگاهی تأثیر المان‌های گوهای شکل بر پارامترهای هیدرولیکی و استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی در جریان رویه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، ایران

2 گروه مهندسی آّب، دانشکده فنی مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز

چکیده

سرریز پلکانی یک طرح هیدرولیکی مقرون بصرفه جهت مستهلک نمودن انرژی جریان آب عبوری از روی سرریز است. بدلیل وجود برخی محدودیت‌ها در سرریزهای پلکانی، در این تحقیق برای افزایش و بهبود اثربخشی استهلاک انرژی طرحی در نظر گرفته ‌شده ‌است. بدین منظور تأثیر وجود المان‌های گوه‌ای شکل بر تغییرات سرعت و فشار روی پله، ارتفاع آب پایین‌دست سرریز و در نتیجه استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی مورد بررسی قرار گرفته ‌است. در این راستا ابتدا با استفاده از مدل عددی Flow-3D چندین شکل از المان‌های گوه‌ای شکل با تغییر در چیدمان گوه‌ها و تغییر در میزان دبی مورد بررسی قرار گرفته و مدل مناسب از جنبه بیشترین استهلاک انرژی در آزمایشگاه ساخته و مورد مطالعه قرار گرفته ‌است. در آزمایشگاه 25 آزمایش بر روی 5 مدل فیزیکی، با تغییر در چیدمان گوه‌ها و دبی‌های متفاوت انجام گردید و با سرریز پلکانی ساده (بدون المان گوه‌ای) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می‌دهد که افزودن المان‌های گوه‌ای بر روی سرریز پلکانی موجب کاهش سرعت و کاهش ارتفاع آب در پایین دست سرریز به ترتیب تا حدود 80% و 30% و استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی تا حدود 7/2 برابر افزایش یافته است. با ترسیم پروفیل‌های توزیع فشار در لبه قائم پله و روی کف پله ملاحظه شد که فشار منفی روی کف پله به فشار مثبت تبدیل شده و فشار منفی در مقطع قائم تا حدود 96% کاهش و فشار مثبت در مقطع قائم تا حدود 2 برابر افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش تراکم المان‌ها نتایجی که موجب افزایش استهلاک انرژی می‌شود چشمگیرتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Study of Wedge Elements Influence on Hydraulic Parameters and Energy Dissipation over Stepped Spillway in Skimming Flow Regime

نویسندگان [English]

  • Kiyoumars Roushangar 1
  • samira akhgar 2
1 Civil Engineering Department, Tabriz University, Tabriz, Iran.
2 Water Engineering Department, Faculty of Civil Engineering, Tabriz University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

A stepped spillway is a hydraulic and cost-effective measure to dissipate the energy of large water flow over the spillway. Due to some limitations in stepped spillways, this study has intended a plan to increase and improve the effectiveness of energy depreciation. For this purpose, the effect of the wedge-shaped elements on the velocity and pressure changes over the steps, water level, and energy dissipation downstream the stepped spillway are evaluated.In this regard, several forms of wedge elements are studied with changes in wedge arrangement and the rate of discharge by using a numerical model of Flow-3D, and the appropriate models from the aspect of the most energy depreciation are selected and studied in the laboratory.In the laboratory, 25 experiments were performed on 5 physical models. Numerical and experimental results show that the addition of wedge elements on the stepped spillway has reduced the velocity and water depth downstream of the spillway to about 80% and 30%, respectively, and the energy dissipation over the stepped spillway increased by about 2.7 times. Also, by drawing the distribution profiles of pressure on the edge and the floor of steps, it was observed that the negative pressure in the horizontal section turned into a positive one. Also, negative pressure in the vertical section decreased up to 96% and positive pressure increased about 2 times. As well as increasing the density of the elements, the results that increase the energy dissipation are going to be more remarkable.

کلیدواژه‌ها [English]

  • stepped spillway
  • wedge elements
  • change of the velocity and pressure
  • energy dissipation
  • Flow-3D
[1] N. RAJARATNAM. Skimming flow in stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 116.1990, 587-591.
[2] H. CHANSON. Comparison of energy dissipation between nappe and skimming flow regimes on stepped chutes. Journal of hydraulic research, 32.1994, 213-218.
[3] M. R. CHAMANI & N. RAJARATNAM. Jet flow on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 120.1994, 254-259.
[4] J.A. KELLS. Comparison of energy dissipation between nappe and skimming flow regimes on stepped chutes discussion. IAHR Journal of Hydraulic Research 33.1995, 128-133.
[5] M. TABBARA, J. CHATILA & R. AWWAD. Computational simulation of flow over stepped spillways. Computers & structures, 83.2005, 2215-2224 .
[6] M. AZHDARY MOGHADDAM 1997. The hydraulics of flow on stepped ogee-profile spillways, University of Ottawa (Canada).
[7] A. KABIRI-SAMANI & M. R. NAZARZADEH. Evaluation of the principles governing on hydraulic flow and design of the stepped spillway. Journal of Technical School, 38.2004, 339-347(in Persian).
[8] M. S´ NCHEZ-JUNY, E. BLADE & J. DOLZ. Pressures on a stepped spillway. Journal of Hydraulic Research, 45.2007, 505-511.
[9] R. M. BOES & W. H. HAGER. Two-phase flow characteristics of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 129.2003, 661-670.
[10] F. SALMASI. Hydraulic of nappe Flow regime over stepped spillway. Journal of Shahid Chamran University of Ahvaz, 2004, 32-56 (in persion).
[11] I. N. RAD & M. TEIMOURI. An investigation of flow energy dissipation in simple stepped spillways by numerical model. European Journal of Scientific Research, 47.2010
[12] N. SOURI & A. MOJTAHEDI. 2014. Investigation of the flow pattern on stepped spillway using numerical study and physical model. Tabriz University (in Persian).
[13] S. RAZI, F. SALMASI & A. H. DALIR. Laboratory Study of the Effects of Step Number, Slope and Particle Size on Energy Dissipation in Gabion Stepped Spillways. Amir Kabir Civil Engineering Journal, 2018.