بررسی آزمایشگاهی تاثیر گرداب‌شکن‌های هرمی بر ضریب دبی سرریز نیلوفری در شرایط استغراق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای سازه‌های آبی، گروه مهندسی سیستم‌های کشاورزی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 استاد، گروه عمران-مهندسی و مدیریت منابع آب، واحد شهر قدس، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

3 استاد، گروه مهندسی سیستم‌های کشاورزی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

4 استادیار، گروه مهندسی سیستم‌های کشاورزی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

چکیده

سرریز نیلوفری در بالادست درون مخزن سد، جهت تخلیه سیلاب از مخازن به پایین‌دست احداث می‌شود. مشکل اصلی که معمولاً در این سرریز اتفاق می‌افتد، جریان‌ چرخشی و گرداب‌ بوده که در شرایط استغراق افزایش یافته و باعث کاهش بازده تخلیه سیلاب در مخزن خواهند شد. انجام راهکارهایی نظیر استفاده از انواع مختلف گرداب‌شکن‌ها به منظور افزایش ضریب دبی و راندمان سرریز‌ نیلوفری، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این تحقیق با طراحی و ساخت مدل فیزیکی سرریز نیلوفری، تاثیر ابعاد و تعداد گرداب‌شکن‌های هرمی بر ضریب دبی سرریز با انجام 209 آزمایش در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از نتایج به دست آمده و بهره‌گیری از رگرسیون غیر خطی، معادلاتی تجربی جهت تعیین ضریب دبی جریان برای سرریز نیلوفری با گرداب‌شکن‌های هرمی به دست آمد. با مقایسه آماری نتایج روابط به دست آمده با داده‌های آزمایشگاهی، ضریب تبیین برای گرداب‌شکن‌های هرمی مثلثی و مربعی به ترتیب برابر 0/99 و 0/926 حاصل شد. همچنین به منظور بررسی هر یک از عوامل تاثیرگذار بر ضریب دبی جریان، آنالیز حساسیت نیز انجام گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که گرداب‌شکن‌های هرمی با آرایش شش‌تایی سبب افزایش میانگین عملکرد سرریز برابر 11/80 درصد الی 16/13 درصد نسبت به سرریز شاهد می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Pyramid Vortex Breakers Effect on the Discharge Coefficient of Submerged Morning Glory Spillway

نویسندگان [English]

  • Farzaneh Sayadzadeh 1
  • Seyed Habib Musavi-jahromi 2
  • Hosein Sedghi 3
  • Amir Khosrojerdi 4
1 Ph.d Student, Department of Agricultural Systems Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Professor, Department of Civil Engineering-Water Resources Engineering and Management, Shahr-e-Qods Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
3 Professor, Department of Agricultural Systems Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
4 Assistant Professor, Department of Agricultural Systems Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Morning glory spillway is built upstream of the dam in the reservoir to convey water from the reservoir to the downstream. The main problem of the spillway is the swirling flow and vortex around the spillway’s axis. By increasing the submergence height, the vortex will increase which leads to the reduction of flood conveyance efficiency due to a decrease in the discharge coefficient of the spillway. It is well known that the vortex breakers are the best for increasing the discharge coefficient of the morning glory spillway. In the present article, a physical model of morning glory spillway is designed and constructed to study the effect of the number and characteristics of pyramidal vortex breakers on the discharge coefficient of the spillway. 209 experiments have been conducted in the Hydraulic Laboratory of SRBIAU, Tehran. Applying non-linear regression analyses, empirical equations were obtained for estimating the discharge coefficient of morning glory spillway with pyramidal vortex breakers. Through comparison of results of the new equations and observed data, the determination coefficients of training and testing data for triangular and square pyramidal vortex breakers was calculated as 0.99 and 0.926, respectively. Also, sensitivity analysis is performed to investigate the efficient variables on the discharge coefficient of morning glory spillway with pyramidal vortex breakers. Findings show that pyramidal vortex breakers in a group of six increase the discharge coefficient significantly. The discharge coefficient performance due to pyramidal vortex breakers existence increases by 11.80% up to 16.13% compared to the non vortex breaker morning glory spillway.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Morning glory spillway
  • Vortex
  • Discharge Coefficient
  • Experimental study
  • pyramidal vortex breaker
[1]  A. Afshar, G.R. Niksefat, Design of Hydraulic Structures of Small Dams, Iran University of Science and Technology, Tehran 1994 (In persian).
[2] U.S.B.o. Reclamation, Design of small dams, US Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Washington D.C, 1987.
[3]  G. Christodoulou,  A. Mavrommatis, T. Papathanassiadis, Experimental study on the effect of piers and boundary proximity on the discharge capacity of a morning glory spillway, in:  1st IAHR European Congress, Edinburgh, Scotland, Edinburgh, Scotland, 2010.
[4]   H.O. Anwar, Formation of a weak vortex, Journal of Hydraulic Research, 4(1) (1966) 1-16.
[5]  M.C. Quick, Efficiency of air-entraining vortex formation at water intake, Journal of the Hydraulics Division, 96(7) (1970) 1403-1416.
[6]   P.B. Zielinski, Effect of viscosity on vortex orifice flow, Journal of the Hydraulics Division, 94(3) (1968) 745-752.
[7]   L.L. Daggett, G.H. Keulegan, Similitude conditions in free-surface vortex formations, Journal of Hydraulics Division, 100(11) (1974) 1565-1581.
[8]  H.O. Anwar, J.A. Weller, M.B. Amphlett, Similarity of free-vortex at horizontal intake, Journal of Hydraulic Research, 16(2) (1978) 95-105.
[9]   A.K. Jain, R.J. Garde, K.G. Ranga Raju, Vortex formation at vertical pipe intakes, Journal of the Hydraulics Division, 104(10) (1978) 1429-1445.
[10] A.J. Odgaard, Free-surface air core vortex, Journal of Hydraulic Engineering, 112(7) (1986) 610-620.
[11]  C.A. Fattor, J.D. Bacchiega, Analysis of instabilities in the change of regime in morning-glory spillways, in: PROCEEDINGS OF THE CONGRESSINTERNATIONAL ASSOCIATION FOR HYDRAULIC RESEARCH, 2001, pp. 656-662.
[12]   M. Tavana, S. Moosavi-Jahromi, M. Shafai-Bajestan, A. Masjedi, H. Sedghi, Optimazation of number and direction of vortex breakers in the morning glory spillway using physical mode, Ecology, Enviroment and Conservation Journal (Eco. Env. & Cons.), 17(2) (2011) 435-440.
[13]  S.R. Mousavi, A.A. Kamanbedast, H. Fathian, Experimental investigation of the effect of number of anti-vortex piers on submergence threshold in morning glory spillway with square inlet, Technical Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(24) (2013) 3534-3540.
[14]  H. Kashkoli, H. Sedghi, H.M. Jahromi, R. Aghamajidi, Simultaneous Study Effect of Guide Pier and Stepped Chamber on Hydraulic Behavior of Morning Glory Spill Way, World Applied Sciences Journal, 21(4) (2013) 548-557.
[15]  E. Nohani, An Experimental Study on the Effect of Vortex Breakers on Discharge Coefficient for the Shaft Spillways with Sharp Edge and Wide Edge, Journal of Civil Engineering and Urbanism, 4(5) (2014) 546-549.
[16]  S.H. Musavi-Jahromi, G. Hajipour, M. Eghdam, Discharge coefficient in the morning glory spillways due to longitudinal angles of vortex breakers, Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences, 5(5) (2016) 34-41.
[17] S.H. Musavi-Jahromi, K. Alasti, Effect of Vortex Breakers on Flow Regime of Morning Glory Spillway, in:  1st Irrigation and Drainage Network Management National Conference, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran, 2006, pp. 1-6  (In persian).
[18]  E. Nohani, S.H. Musavi-Jahromi, Effect of Number and Thickness of Vortex Breaker Blades on the Coefficient Discharge of the Morning Glory Spillway, in:  National Conference on Water, Soil, Plant and Mechanization of Agriculture, Islamic Azad University, Dezful Branch, 2010 pp. 1-7 (In persian).
[19]  E. Nohani, R. Jamali-Emamgheis, Experimemntal Investigation the Efffect of Vortex Breakers Shape on Discharge Efficiency for the Morning Glory Spillways, Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 9(5) (2015 ) 741-749 (In persian).
[20]  M. Zomorredian, M. Shojaeian, Effect of the Geometry of Headrace Channel on Vortex and Discharge coefficient. Iranian, J. Agricultural Sci., , 35(3) (2004) 10 (In persian).
[21]   A. Kabiri-Samani, S. Borghei, Effects of anti-vortex plates on air entrainment by free vortex, Scientia Iranica, 20(2) (2013) 251-258.
[22]   R. Shemshi, A. Kabiri-Samani, Swirling flow at vertical shaft spillways with circular piano-key inlets, Journal of Hydraulic Research, 55(2) (2017) 248-258.