شرایط جریان موجکی و ضریب دبی جریان در سرریزهای لبه‌پهن مستطیلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

2 گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

سرریزها یکی از انواع سازه­های هیدرولیکی هستند که­ در سیستم­های انتقال آب به منظور اهداف خاصی مانند افزایش عمق جریان در بالادست سازه جهت آب‌گیری و یا اندازه­گیری دبی جریان به کار گرفته می­شوند. در این تحقیق به بررسی پارامترهای هیدرولیکی جریان و چگونگی وقوع جریان موجکی در سرریزهای لبه‌پهن مستطیلی به روش عددی با استفاده از روش حجم محدود (FVM) پرداخته شد و نتایج آن با روش آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که محدوده ضریب دبی برای داده­های آزمایشگاهی بین 321/0 تا 332/0 است و با استفاده از مدل عددی این محدوده بین 301/0 الی 354/0 می­باشد. هم‌چنین مشاهده گردید که در صورتی که عدد فرود جریان در مقطعی که حداقل عمق در روی تاج (dmin) اتفاق می­افتد، کمتر از مقدار 5/1 باشد (5/1>(Fr1، در بالای تاج سرریز موجک­هایی به فرم سینوسی تشکیل می­شود، که می­تواند دقت در قرائت اشل را کاهش و باعث ایجاد خطا در برآورد دبی عبوری گردد. برای جلوگیری از وقوع جریان موجکی، عمق جریان نباید از حد معینی کمتر گردد. در تحقیق حاضر جریان موجکی در شرایطی که نسبت عمق آب روی تاج سرریز به طول تاج سرریز در جهت جریان بزرگ‌تر از 1/0 باشد (1/0   H/L)، مشاهده نشد. بنابراین می­توان گفت برقراری جریان موجکی در سرریزهای لبه‌پهن طولانی (1/0   H/L) مستعدتر از سرریزهای لبه‌پهن حقیقی (4/0  H/L   1/0) است. هم‌چنین با استفاده از روش رگرسیونی، رابطه­ای برای تعیین ضریب دبی سرریزهای لبه‌پهن حقیقی با دقت مناسب و بالا ارائه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Undular Flow Conditions and Discharge Coefficients in Rectangular Broad-Crested Weirs

نویسندگان [English]

  • Bahram Nourani 1
  • Farzin Salmasi 2
  • Hadi Arvanaghi 2
  • Faezeh Rezaei 2
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Weirs are common hydraulic structures that can be used in conveyance water canals for increasing the water depth upstream of turnouts or measurement of flow discharge. In this study, the effect of hydraulic parameters and creation conditions of undular flow in the broad-crested weirs were investigated numerically using the finite volume method and the results were evaluated by the experimental method of other researchers. Results indicated that discharge coefficients (Cd) for experimental data are between 0.321-0.332, whereas the Cd for numerical simulation (using ANSYS FLUENT) is between 0.301-0.354. Over the crest where the minimum water depth (dmin) happens, when Fr1 is less than 1.5 (Fr1<1.5), the creation of waves was observed. This type of flow is known as the undular flow. In this situation, measuring water depth over the broad crested weir is not easy and can introduce error for discharge estimation. For preventing of the undular flow, the flow depth cannot be less than a specified value. In this study, this limitation was observed for H/L > 0.1. Thus it can result that long broad-crested weirs (H/L<0.1) are more susceptible than the broad-crested weirs (0.1≤H/L<0.4) in the creation of the undular flows. Additionally, a regression equation for estimation of the Cd in the broad-crested weirs is proposed with reasonable accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Broad-crested weir
  • Discharge coefficient
  • Undular flow
  • Finite volume method

مراجع

[1] A. Kabiri Samani, S. Bagheri, Design of channels and water conveyance structures, Arkan danesh, Esfahan, 2014 (In Persian).
[2] J. Singer, Square-edged broad-crested weir as a flow measurement device, Water and  Water Engrg, 68(6) (1964) 229-235.
[3] A.J.M. Harrison, Some  comments  on  the  square-edged  broad-crested weir, Water and  Water Engrg, 68(11) (1964) 445-448.
[4] A.D. Crabbe, Some hydraulic  features of the  square-edged broad-crested weir,  Water and  Water Engrg, 78(10) (1974) 354-358.
[5] A.S. Ramamurthy, U.S. Tim, M.V.J. Rao, Characteristics  of square-edged round-nosed  broad-crested  weirs, J.  Irrig.  and  Drain.  Engrg,  ASCE, 114(1) (1988) 61-73.
[6] J. Farhoudi, H. Shah Alami, Slope effect on discharge efficiency in rectangular broad crested weir with sloped upstream face, Int. J. Civ. Eng., 3 (2005) 58–65.
[7] A.H. Azimi, N. Rajaratnam, M. David Z Zhu, Submerged Flows over Rectangular Weirs of Finite Crest Length, J. Irrig. Drain Eng., 140(5) (2014).
[8] O. Simsek, M. Sami Akoz, N. Goksu Soydan, Numerical validation of open channel flow over a curvilinear broad-crested weir, Progress in Computational Fluid Dynamics, 16(6) (2016) 6364-6378.
[9] A.M. Shaymaa, Al-Hashimi., Huda M M., M.K. Rasul, N.N. Thameen, A.A.-A. Nadhir, Flow over broad-crested weirs: Comparison of 2D and 3D Models, Journal of Civil Engineering and Architecture, 11 (2017) 769-779.
[10] J. Lei, M. D., S. Haomiao, R. Yu, Numerical modeling of flow over a rectangular broad-crested weir with a sloped upstream face, Water, 10. (2018) (11)
[11] M.R. Madadi, D. Farsadizadeh, A. Hosseinzadeh Dalir, Effective parameters on formation of Undular Flow on the broad-crested weirs, Journal of Water and Soil 26 (6) (2013) 1428-1439 (in persian).
[12] J. Mohammadzadeh-Habili, M. Heidarpour, A. Haghiabi, Comparison the hydraulic characteristics of finite crest length weir with quarter-circular crested weir, Flow Measurement and Instrumentation 52 (2016) 77-82.
[13] B. Nourani, R. Norouzi, F. Rezaei, F. Salmasi, Investigation the stage- discharge relationship and discharge doefficient in sharp-crested weirs with triangular shape in plan, Amirkabir Journal of Civil Engineering,  (2019) (In Persian).
[14] B. Nourani, H. Arvanaghi, F. Salmasi, A novel approach for estimation of discharge coefficient in broad-crested weirs based on Harris Hawks Optimization algorithm, Flow Measurement and Instrumentation, 79(101916) (2021).
[15] P. Varjavand, D. D Farsadizadeh, P. Khosravinia , Z. Rafieey, Simulation of flow over cylinderical weirs using fluent model and comporision with expermental data, Soil and Water Science, 20(1(2)) (2009) (in persian).
[16] W.H. Hager, M. Schwalt, Broad-crested weir, J. Irrig. Drain. Eng., 120(1) (1994) 13-26.
[17] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, J. Comput. Phys, 39 (1981) 201–225.
[18] Anonymous, ANSYS FLUENT Tutorial Guide, (2015).
[19] R.N. Govinda, D. Moralindhar, Discharge characteristics of weirs of finite crest width, La Houille Blanch, 18(5) (1963) 537-545.
[20] H. Chanson, Hydraulics of open channel flow, 2nd Edition, 2004.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 54، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 125-140

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار