Abstract

A morning glory spillway consists of three main parts, circular crest and vertical shaft with an elbow to the throat and horizontal or nearly horizontal tunnel. Based on the water surface elevation, there exist three types of flow control: flow control at the spillway crest, flow control at the shaft and flow control at the top of the sha tunnel. FLOW3D so ware used for numerical modeling and the results were compared with lab work, and good agreement were observed. discharge ‐ head graph for morning glory spillway is presented which shows that the discharge increases, flow regime is changed and in the case of complete submergence, significant changes in the head is observed with a small increase in flow rate. Well as reviews on the length of the vertical shaft, shows of a direct influence of this change on head the crown of the, So that the by increasing or decreasing the length of the shaft, more or less friction and at a known flow rate on the crown of the head is more or less will be.

Keywords: Morning Glory Spillway, Numerical Simulation, Flow Pattern, Geometric Change,

Flow3d

بررسی عددي تأثیر تغییرات ارتفاع شفت قائم بر الگوي جریان در سرریز نیلوفري

مجید احسانی۱، سید علی اکبر صالحی نیشابوري۲

-۱ تربیت مدرس

-۲ تربیت مدرس

Saeed.ehsaninoori@gmail.com

خلاصه

سرریزهاي نیلوفري شامل سه قسمت اصلی تاج دایرهاي، شفت قائم با یک زانویی که به گلوگاه معروف است و مجراي افقی یا تونلتقریباَ افقی

میباشد. رفتار جریان در سرریزهاي نیلوفري با توجه به رقوم سطح آب دریاچه سد، به سه نوع کنترل جریان از تاج سرریز، کنترل جریان از شفت قائم و کنترل جریان در ابتداي تونل قابل دسته بندي است. در تحقیق حاضر براي مدلسازي عددي از نرم افزار FLOW3D استفاده شده

و نتایج با کار آزمایشگاهی مقایسه گردیده است، که نتایج تطابق مطلوبی را نشان میدهند. نمودار دبی – اشل براي سرریز نیلوفري ترسیم گردیده که نشان میدهد همچنانکه عمق آب روي سرریز نیلوفري افزایش مییابد، رژیم جریان نیز تغییر میکند و در حالت استغراق کامل با افزایش کم دبی، هد به میزان قابل توجهی زیاد میگردد. همچنین بررسی بر روي تغییر طول شفت قائم، از تأثیر مستقیم این تغییر بر روي هد روي تاج را نشان میدهد، بطوریکه با افزایش یا کاهش طول شفت، اصطکاك هم بیشتر یا کمتر شده و در یک دبی مشخص هد روي تاج نیز زیاد یا کم میگردد.

کلمات کلیدي: سرریز نیلوفري، مدلسازي عددي، رژیم جریان، تغییر هندسی، FLOW3D

۱٫ مقدمه

سرریزهاي نیلوفري یکی از انواع رایج سرریزها براي تخلیه آب اضافی پشت سدها میباشند. این نوع از سرریزها بیشتر در مخازن سدهایی با دبی کم تا متوسط استفاده میشوند که معمولاً طراحی سرریزها براي سیلابهایی با دوره بازگشت ۱۰۰۰ ساله و کنترل طراحی با دوره بازگشت ۱۰۰۰۰ ساله انجام میشود. سرریزهاي نیلوفري در درههاي تنگ و باریک که تکیه گاهها بصورت پلکانی

۱دانشجوي کارشناسی ارشد سازه هاي هیدرولیکی تربیت مدرس
٢استاد هیدرولیک تربیت مدرس

بالا میروند و محدودیت مکانی براي ساخت دیگر سرریزها وجود دارد، بسیار مؤثر هستند. مهمترین مزیت سرریزهاي نیلوفري کاهش هزینههاي ساخت آن با استفاده از تونل انحرافی احداث شده در زمان ساخت سد به عنوان تونل افقی میباشد. همچنین در سدهاي خاکی استفاده از این نوع سرریز در مخزن و جداي از بدنه سد موجب کاهش احتمال خطر آبشتگی و اشباع شدن پوسته پایین دست سد میگردد.

سرریز نیلوفري سه قسمت اصلی دارد: تاج ورودي فنجانی شکل، مجراي قائم و مجراي انحراف تقریبا افقی (شکل(۱

شکل-۱ طرح کلی سرریز نیلوفري

در سال ۱۹۵۴ بردلی۳ تحقیق گسترده اي بر روي سرریزهاي نیلوفري در حال بهره برداري در کشورهاي مختلف انجام داد. تا آن تاریختقریباً ۳۰ سرریز نیلوفري ساخته شده یا در دست ساخت بود که بردلی، ۱۶ سرریز ساخته شده را بررسی نمود.[۱] یکی از کامل ترین تحقیقات انجام گرفته در مورد سرریزهاي نیلوفري آزمایشات واگنر۴ در سال ۱۹۵۴ است. در این آزمایشات از یک سرریز مدل لبه تیز دایره اي استفاده شد. ضرایب تخلیه۵ و شکل پروفیل جریان ورودي (سطح آزاد رو و زیر جریان) در وضعیت هوادهی کامل براي سه عمق نزدیکی۲۰ ۶، ۳ و ۱/۵ اینچ اندازه گیري شده است.[۲] گابریس۷ و دگت۸ در سال ۱۹۷۴ به بررسی جریان ورودي به یک تخلیه کننده قائم پرداختند. هدف ایشان به دست آوردن یک مدل کلی براي سیستم هاي هیدرولیکی شبیه به هم بود که در آن ها مسئله گرداب همراه با ورود هوا، بر کارایی و میزان تخلیه سیستم تأثیرگذار باشد. آنها توجه خود را به دو عامل لزجت و کشش سطحی معطوف کرده و بیان مینمایند که این دو عامل به ترتیب بر شکل چرخش و جاذبه ثقلی در پدیده گرداب تأثیر میگذارند.[۳] پینوتی در سال ۲۰۰۸ به بررسی مدل فیزیکی سرریز نیلوفري مخزن ذخیره والنوسی۹ پرداخت. هدف

۳ J. N. Bradly 4 W.E.Wagner 5 Discharge coefficient 6 Approach depth 7 Gabris 8 Dagget 9 Val Noci

از این بررسی ارزیابی رفتار هیدرولیکی سرریز نیلوفري والنوسی و بهبود کارایی و امنیت آن بود.[۴] فریرا فیس۱۰ درسال ۲۰۰۸ با یک کار آزمایشگاهی به آنالیز منحنی کنترل جریان در شفت قائم و ورودي سرریز نیلوفري پرداخت و معادلاتی براي تصحیح ضریب دبی در منحنی دبی – هد ارائه کرد.[ ۵]حسینی و عالمی در سال ۱۳۸۹ در مقاله اي سعی کردند عملکرد هیدرولیکی سرریزهاي نیلوفري و اوجی را بوسیله مدلسازي عددي مورد بررسی قرار دهند. ایشان به کمک مدل عددي پارامترهاي جریان، مانند پروفیل سطح آب و توزیع فشار را تعیین کردند و با اطلاعات الگوهاي طراحی USBR و USACE مقایسه نمودند.[۶]

یوسفوند و باقري در سال ۱۳۹۱ با بررسی آزمایشگاهی تاثیر شعاع قوس زانویی بر هیدرولیک جریان سرریزهاي نیلوفري چنین استنباط نموند که با افزایش مقدار شعاع زانویی در سرریز نیلوفري ضریب تخلیه دبی جریان افزایش مییابد، ولی با افزایش عمق استغراق ضریب تخلیه دبی جریان کاهش مییابد.[۷] رمضانی در سال ۱۳۹۲، تاثیرات قطر تاج سرریز و عمق تقرب بر روي میدان جریان را به صورت عددي مورد آزمون و ارزیابی قرار داد. ابتدا به منظور بررسی و مقایسه پارامترهاي هیدرولیکی سرریز نیلوفري سد البرز، ۲۶ آزمون براي جریانهاي مختلف ورودي که هر سه رژیم جریان حاکم بر سرریز نیلوفري را پوشش میدهند، صورت گرفت و نشان داد که میزان آبگذري علاوه بر هندسه تاج سرریز، به محل قرارگیري این سرریز در داخل مخزن نسبت به تاج سد، هد آب، سرعت ورودي جریان در داخل تاج و گرداب شکنها، به قطر تاج سرریز و عمق تقرب هم بستگی دارد.[۸]

براساس تحقیقات گذشته، رفتار جریان در سرریزهاي نیلوفري با توجه به رقوم سطح آب دریاچه سد، به سه نوع قابل دسته بندي است : کنترل جریان از تاج سرریز، کنترل جریان در شفت و کنترل جریان در ابتداي تونل در حالت تحت فشار. سرریز نیلوفري ممکن است بصورت سطح آزاد۱۱ و یا بصورت مستغرق۱۲ طراحی شود. در رقوم پایین سطح آب دریاچه، رفتار جریان در سرریز نیلوفري تابع دبی عبوري از تاج سرریز میباشد. در این حالت شفت قائم بصورت نیمه پر عمل نموده و جریان به دیواره شفت و زانویی برخورد میکند. آزمایشات نشان میدهد که تا زمانیکه نسبت H0 بر RS کوچکتر از ۰,۴۵ باشد، (که در آن H0

ارتفاع آب روي سرریز و RS شعاع تاج سرریز میباشد) کنترل در سرریز است و با افزایش مقدار این نسبت، استغراق بیشتر می شود، زمانیکه این نسبت به مقدار واحد برسد، سرریز کاملا مستغرق خواهد بود که از این مرحله به بعد کنترل در روزنه خواهد بود.[۹]

حالت هاي مختلف جریان در سرریز نیلوفري در شکل ۲ نشان داده شده است. همانطور که نمودار نشان می دهد، حالت اول کنترل تاج۱۳ دبی جریان از نقطه a تا g، در حالت دوم کنترل روزنه۱۴، دبی از g تا h و در حالت سوم کنترل مجرا۱۵

دبی از نقطه h به بالا خواهد بود.

۱۰ Ferreira Fais 11 Free Flow 12 Submerged Flow 13 Crest control 14 Tube control 15 Conduit control

در حالت سطح آزاد، رفتار سرریز نیلوفري مانند سرریز مستقیم معمولی است و مقدار دبی عبوري با ارتفاع آب روي آن نسبت ۱/۵ دارد.

(١)

از طرف دیگر در حالت مستغرق، شرایط جریان کاملا متفاوت است، تغییرات دبی با ریشه دوم عمق روي سرریز نسبت دارد.

(۲)

درنتیجه با توجه به توضیحات ارائه شده، از آنجاییکه طراحی سرریز نیلوفري در هر یک از این دو حالت متفاوت است، تبیین و ارائه نمودار دبی-هد براي سرریزهاي نیلوفري کاملا مفید و الزامی میباشد. از طرف دیگر، دانستن این نکته که تغییر در شرایط هندسی سرریز نیلوفري، چگونه بر روي روند جریان در این سرریز اثر میگذارد، میتواند براي طراحی سرریز نیلوفري راهگشا و مفید باشد. به همین منظور در مطالعه حاضر سعی شده، نمودار دبی – هد براي سرریز نیلوفري البرز ارائه گردد و تاثیر تغییر ارتفاع شفت قائم بر روي روند عبور جریان مورد بررسی قرار گیرد.

شکل-۲ حالت هاي مختلف جریان در سرریز نیلوفري

۲٫ مواد و روش ها