خلاصه

حوضچهی آرامش، نقش مهمی در اتلاف انرژی جریان خروجی سازههای هیدرولیکی و جلوگیری از خسارات ناشی از انرژی فوقالعاده آب در سرعتهای فوقبحرانی ایفا میکند. بههمین جهت محققین همواره در تلاش بودهاند، تمهیداتی فراهم آورند که بتوانند عمق ثانویه و طول پرش هیدرولیکی را کاهش و افت انرژی را افزایش دهند، تا ساخت حوضچهی آرامش با صرفهی اقتصادی همراه باشد. نتایج این پژوهش با تایید نتایج دیگر محققان نشان میدهد که این تمهیدات با زبر نمودن بستر و همچنین ایجاد شیب معکوس در کف حوضچههای آرامش صورت میگیرد. در نهایت این نتیجه حاصل میشود که کاربرد توام دو عامل زبری و شیب معکوس در کف حوضچههای آرامش، میزان افزایش اتلاف انرژی و کاهش طول و عمق ثانویهی پرش بهطور قابل ملاحظهای تشدید مییابد.

کلمات کلیدی: پرش هیدرولیکی، عمق مزدوج، بستر زبر، شیب معکوس، حوضچهی آرامش.

۱٫ مقدمه

پرش هیدرولیکی، یک عامل مهم انرژیگیرنده در سازههای هیدرولیکی و از نوع جریان متغیر سریع میباشد، که با تغییر رژیم جریان از فوقبحرانی به زیربحرانی تغییر مییابد. این پدیده همراه با افزایش تلاطم و افت انرژی جنبشی فوقالعاده در جریان میباشد، و در پی آن با کاهش سرعت اولیه، عمق جریان در مسیر نسبتاً کوتاهی به میزان قابل ملاحظهای افزایش می یابد. همانطور که اشاره شد، این پدیده به عنوان مستهلککننده انرژی در پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر دریچههای آبیاری، سرریزها، تندآبها و شوتها استفاده میشود. طراحی ابعاد حوضچه آرامش به پارامترهای پرش هیدرولیکی بستگی دارد. لذا محققین همواره در تلاش بودهاند، تمهیداتی فراهم آورند که بتوانند عمق ثانویه و طول پرش را کاهش و افت انرژی را افزایش دهند تا بهینهترین حالت را از نظر صرفه اقتصادی بهمنظور ساخت حوضچه آرامش فراهم آورند.عموماً روابطی که بهمنظور محاسبه پارامترهای جهش هیدرولیکی جهت طراحی حوضچه های آرامش به دست آمدهاند، با در نظر گرفتن فرضیاتی از قبیل صرفنظر کردن از اثر نیروی اصطکاک و نیروی ناشی از وزن سیال در حجم کنترل مورد نظر همراه میباشد، که با لحاظ نمودن چنین شرایطی، روابطی ساده بهمنظور محاسبهی پارامترهای پرش هیدرولیکی بهدست آمد.

۲٫ پیشینهی مطالعات

با توجه به مراجع موجود، اولین محقق در زمینه مطالعهی پرش هیدرولیکی شخصی ایتالیایی به نام بایدون (۱۸۱۸) بود و پس از آن بلانگر((۱۸۲۸، رابطه معروف پرش کلاسیک را ارائه داد .[۱] که این رابطه بهصورت معادله ۱ است:
۱  ۱ y2
(1) 1  ۸Fr12 
y
2
1
که در آنy1 و y2 بهترتیب عمق اولیه و عمق ثانویهی پرش هیدرولیکی و Fr1 عدد فرود اولیهی پرش میباشد. اما با تغییر شرایط بستر از قبیل زبری و

شیب کف، دیگر مجاز به صرفنظر کردن از اثر اصطکاک و اثر نیروی وزن نمیباشیم. زیرا در این حالت خصوصیات جهش هیدرولیکی بهشدت متاثر از شرایط فوقالذکر در بستر میگردد. در کانالهای شیبدار مؤلفه نیروی وزن سیال، در راستای حرکت برای شیبهای مثبت، و در خلاف

۱دانشجوی کارشناسی ارشد ۲عضو هیئت علمی دانشگاه رازی و رییس دانشگاه صنعتی کرمانشاه

۱

راستای حرکت برای شیب های منفی به صورت :VLQ اثر میگذارد و این خود به پیچیده شدن مطالعه اینگونه جهشهای هیدرولیکی منجر میشود که بایستی مقدار آن در استفاده از معادله اندازه حرکت در نظر گرفته شود.[۲] لازم بهذکر است در جهش کلاسیک انتهای جهش جائی است که جریان به حداکثر ارتفاع پایداری میرسد، اما این معیار را نمیتوان برای جهش در روی شیب معکوس بهکار برد، به دلیل اینکه در این نوع از پرش، در بیشتر اعداد فرود نیمرخ نوع A2 در انتها شکل میگیرد .[۳] در این حالت انتهای جهش مکانی است که غلتابهای سطحی به پایان میرسند .[۳] در شکل ۱، یک نمونه از پرش هیدرولیکی روی شیب معکوس مشاهده میشود.

شکل – ۱ پرش هیدرولیکی بر بستر با شیب معکوس

در این حالت با استفاده از اصل مومنتوم و فرض G بهصورت رابطهی (۲) معادلهی عمومی جهش هیدرولیکی آزاد در بسترهای با شیب معکوس، بهصورت معادلهی (۳) قابل محاسبه میباشد.

(۲) Fr1 G 
 KL sin 

 cos
d2  d1
 

۱  ۱ y2
(3) 1  ۸G2 

۲ y
1
پرش کلاسیک بهطور گسترده توسط پیترکا (۱۹۵۸)، راجاراتنام (۱۹۶۷)، هگر (۱۹۹۲)، مورد بررسی قرار گرفته است. طیف گستردهای از تحقیقات به بررسی اثر بخشی بسترهای زبر توسط راجاراتنام (۱۹۶۸)، هیوز و مک (۱۹۸۴)، آلحمید و همکاران (۱۹۹۴)، اید و همکاران (۲۰۰۰) و بسترهای موجدار توسط اید و راجاراتنام (۲۰۰۲)، ایزدجو و شفاعی بجستان (۲۰۰۵)، صورت گرفته است.[۴] محمدعلی (۱۹۹۱)، مطالعات آزمایشگاهی را به منظور بررسی تاثیر زبریها بهصورت بلوکهای مکعبی را انجام داد، که این محقق نشان داد طول پرش برای اعداد فرود بین ۴ الی ۱۰، حداقل ۲۷ و حداکثر ۶۷ درصدکاهش مییابد .[۵] بررسی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح شیبدار در قرن ۱۹ و ۲۰ توسط محققین مختلف پیگیری شد. افرادی نظیر بازین (۱۸۶۵)، بب (۱۹۱۷)، المز (۱۹۲۷)، یارنل (۱۹۳۴)، بخمتف و ماتزکی (۱۹۳۸)، کیندسواتر (۱۹۴۴)، کنیسون (۱۹۴۴)، ویگام (۱۹۵۸)، راجاراتنام (۱۹۶۵)، هگر (۱۹۸۸)، اوتسو و یاسودا (۱۹۹۱) و مک کروکودال و محمد (۱۹۹۴)، مطالعات مختلفی بر روی انواع پرش هیدرولیکی روی سطوح شیبدار انجام دادند. .[۶] اولین مطالعه در زمینهی پرش روی شیب معکوس، توسط راوس ( ( ۱۹۳۸ انجام شد و به این نتیجه رسید که جهش هیدرولیکی در اینگونه حوضچهها، فقط در روی شیبهای نزدیک به صفر پایدار خواهد بود .[۷] استیونس ( ( ۱۹۴۴ با تحلیل تئوری نظریه راوس را رد کرده و بیان داشت که تشکیل جهش هیدرولیکی بر روی تمامی شیب های معکوس بدون هیچگونه محدودیتی پایدار است و توانست عمق ثانویه این گونه جهشها را تخمین زند.[۷] خدار و راجاگوپال ( ۱۹۷۲ )، با انجام آزمایشاتی بر جهش هیدرولیکی روی شیب معکوس ۰/۰۲۵ بیان نمود که کنترل جهش هیدرولیکی در شیبهای تندتر از این مقدار غیرممکن است. همچنین آنها به این نتیجه رسیدند که طول جهش هیدرولیکی روی بستر با شیب معکوس نسبت به بستر افقی مقدارکمتری دارد .[۷] ابریشمی و صانعی ( ۱۹۹۴ )، در بررسیهای خود بر پرش هیدرولیکی روی شیب معکوس، آزمایشاتی بر روی حوضچهای با شیبهای معکوس تا ۲/۵ درصد در محدوده اعداد فرود ۲ تا ۱۰ انجام دادند. نتایج مطالعات آنها نشان داد که امکان ایجاد پرش پایدار بر روی شیبهای منفی وجود دارد. این پایداری تابعی از عدد فرود اولیه، عمق پایاب و طول حوضچه است.. [۸] مک کورکودال و محمد ( ۱۹۹۴ )، مطالعات خود را در مورد پرش هیدرولیکی، روی شیب های معکوس ۰/۱، ۰/۱۶۷ و ۰/۲۰ انجام دادند. نتایج آنها حاکی از این بود که تثبیت جهش در اینگونه بسترها در اعداد فرود کمتر از ۹ مشکل است..[۳] با توجه به تاثیر شیب معکوس و زبری بستر بر روی بهبود خصوصیات پرش هیدرولیکی، لذا لزوم تحقیقات بیشتر در این زمینه بهنظر میرسد. شکل ۲ نمونههایی از انواع بسترهای مختلف پرش هیدرولیکی را نشان میدهد. تاکنون روشهای متعدد تحلیلی و تجربی برای پیشبینی وضعیت و مشخصات جهش هیدرولیکی در شرایط مختلف ارائه شدهاست. در این مقاله به بررسی و مقایسه اثر مجزا و توام زبری و شیب معکوس بستر حوضچههای آرامش و تاثیر میزان تراکم زبریها بر مشخصات جهش آبی میپردازیم.

۳٫ خصوصیات پرش هیدرولیکی