آزمايش كانال روباز

آزمايش كانال روباز :(بررسي جريانهاي مختلف در يك كانال)
مقدمه :
جريان با سطح آزاد معمولاً به جرياني از مايعات اطلاق مي شود كه قسمتي از آن به نام سطح ازاد صرفاً تحت فشار معيني باشد . جريان در اقيانوسها و رودخانه ها و نيز جريان مايعات در لوله هايي كه كاملاً پر نشده اند جريان با سطح آزاد هستند كه در آنها قسمتي از مرز جريان تحت فشار اتمسفر قرار دارد . جريان در كانالهاي روباز انواع بسيار متنوعي دارد . از جريان آب بر روي سطح يك زمين شخم زده در هنگام بارندگي شديد تا جريان با عمق ثابت در يك كانال منشوري بزرگ . اين

جريانها را مي توان به انواع دائمي و غيردائمي يكنواخت و غيريكنواخت تقسيم بندي كرد . جريان دائمي يكنواخت جرياني است كه دبي آن در طي زمان و عمق آن در طول كانال تغيير نمي كند . اين نوع جريان در كانالهاي منشوري بسيار طويل رخ مي دهد . در چنين كانالهايي پس از طي

مسافتي ، نيروي مقاوم اصطكاك با نيروي محرك جاذبه ثقل برابر شده سرعت جريان به سرعت حد مي رسد . از آن پس يك جريان يكنواخت يعني جرياني با عمق و سرعت ثابت برقرار مي شود كه در آن افت ارتفاع اصطكاكي با افت ارتفاع هندسي سبز كانال برابر است . عمق جريان دائمي يكنواخت را عمل نرمال گويند . جريان دائمي غيريكنواخت جرياني است كه دبي آن در طي زمان تغيير مي كند .اما عمق آن در طول كانال تغيير مي نمايد . اين نوع جريان در كانالهاي غيرمنشوري و سطوحي ابتدايي و انتهايي كانالهاي منشوري رخ مي دهد . جريان غيريكنواخت را اصطلاحاً جريان

متغير ناميده اند . جريان هاي متغير را مي‌توان به دو دسته متغير تدريجي و متغير سريع تقسيم بندي كرد . در جريان تدريجي عمق يا مقطع جريان تدريجاً تغيير مي كنند . در جريان متغير سريع ، سرعت و عمق جريان در فاصله كوتاهي از طول كانالهاي سريعاً تغيير مي كنند ، مانند جريان در يك تبديل ، جريان غيردائمي يكنواخت بندرت رخ مي دهد . جريان غيردائمي غيريكنواخت فراوان است اما تحليل آن مشكل است .
اگر سرعت جريان كمتر از سرعت انتشار يك موج كوچك در كانال باشد بطوريكه اغتشاشهاي كوچك در خلاف جهت جريان بالا دست حركت كنند و شرايط جريان در بالادست تغيير دهند ، جريان را كند يا دوخانه اي گويند . در اين نوع جريان ، شرايط بالادست متاثر از پايين دست است ، به عبارت ديگر ، جريان از پايين دست كنترل مي‌شود . اگر سرعت انتشار امواج باشد بطوريكه اغتشاشهاي كوچك همراه با مايع به پايين دست رفته شوند جريان را تند يا سيل آسا گويند . در اين نوع جريان تغييرات كوچك در شرايط پايين دست ، شرايط بالادست را تغيير مي دهد . به عبارت ديگر جريان از بالا

دست كنترل مي شود . اثر سرعت جريان با سرعت انتشار امواج كوچك برابر باشد جريان را بحراني گويند . براي طبقه بندي فوق از اصطلاحات زير بحراني و فوق بحراني نيزاستفاده مي شود . جريان كند كه سرعت آن از سرعت بحراني كمتر است را زير بحراني و جريان تند كه سرعت آن از سرعت بحراني بيشتر است را فوق بحراني گويند . سرعت دروني كانال صفر است و عموماً با افزايش فاصله از آن افزايش مي يابد ، سرعت حداكثر كه در روي سطح ازاد بلكه پايين تر از آن و معمولاً به فاصله اي حدود ۰۵/۰ تا ۲۵/۰ عمق از آن رخ مي دهد . سرعت متوسط در روي يك خط قائم را با اندازه گيري سرعت جريان در ۶/۰ عمق تعيين مي كنند .

 

هدف :
هدف از آزمايش آشنايي با قوانين حاكم بر جريان در كانالهاي باز ، انواع جريانها و دسته بندي آنها ، يافتن عمق بحراني ، مشاهده و تجزيه و تحليل پرش هيدروليكي و همچنين بررسي نيرو دريچه ها مي باشد .

تئوري و تجزيه و تحليل :
براي كانالهاي باز اشكال هندسي مختلفي استفاده مي شود مانند مقطع ذوزنقه اي كه خود شامل مقطع مستطيلي و مثلثي است . مقطع دايره اي ، مقطع سهمي شكل ، هر كدام از اين مقاطع براي كار بخصوصي در نظر گرفته مي شود . مثلاً در بيشتر كانالهاي آبياري ، نهرها و مقاطع ذوزنقه اي استفاده مي شود و در سيستم هاي جمع آوري فاضلاب از مقاطع دايره اي استفاده مي شود . مقطعي كه به ازاء سطح يكسان محيط كمتري داشته باشد ، اصطكاك كمتري ايجاد

مي كند و لذا ظرفيت انتقال دبي بيشتري را دارد . بطور كلي هزينه هاي احداث يك كانال عبارتند از هزينه پوشش كانال كه متعامل با محيط آن است . با استفاده از فرمول ماتينگ مي توان نشان داد كه به ازاي دبي ، شيب و زبري معلوم اگر سطح مقطع حداقل باشد ، محيط نيز حداقل است . با استفاده از فرمول ماتينگ مي توان نشان داد كه به ازاي دبي ، شيب و زبري معلوم ، اگر سطح مقطع حداقل باشد . محيط نيز حداقل خواهد بود و لذا هزينه خاكبرداري و هزينه پوشش كانال همزمان به حداقل مي رسند . مقطعي كه در بين مقاطع هم شكل خود ، حداقل سطح يا محيط را داشته باشد بهترين مقطع هيدروليكي ناميده مي شود . فرمول آن به صورت زير است :

محاسبات و نتايج :
مرحله اول : بدون مانع :
اندازه عمق هاي مختلف :
y ميانگين =
دبي اندازه گيري شده
اندازه گيري هاي بعدي:

براي بدست آوردن ضريب مانينگ

مرحله دوم : با مانع :
اندازه عمق هاي مختلف :

عمق آب قبل از پرش هيدروليكي :

عمق آب بعد از پرش هيدروليكي :

عمق هاي بعد از پرش هيدروليكي :

دبي اندازه گيري شده :‌

زماني كه دبي را كم مي كنيم ، داده هاي زير اندازه گيري شد .

ارتفاع قبل از پرش :

ارتفاع بعد از پرش :

زماني كه دبي را كم كرده ايم داده هاي زير اندازه گيري شد .
ارتفاع قبل از پرش :

ارتفاع بعد از پرش :‌

زماني كه دبي را كمتر كرديم ، داده هاي زير اندازه‌گيري شد .
ارتفاع ميانگين قبل از پرش هيدروليكي :

ارتفاع ميانگين بعد از پرش هيدروليكي :

ارتفاع هاي بعد از پرش :

براي بدست آوردن منحني عمق بحراني به دبي بايد عمق هاي بحراني را در هر دبي با توجه به فرمول بدست آورد . ، ،

براي بدست آوردن در دبي حداكثر عدد فرود را بدست مي آوريم ، سپس عدد فرود را نوشته و سرعت را بدست مي آوريم ، از طريق دبي حداكثر و سرعت سطح مقطع را بدست مي آوريم و سپس را بدست مي آوريم :
ارتفاع آب قبل از پرش :
ارتفاع آب بعد از پرش :

علت اختلاف بين ناشي از فرمول و ناشي از اندازه گيري عملي مربوط به فرمول مي باشد . چون فرمول ها در آزمايش دقت كافي ندارند . به كمك اين آزمايش چگونگي وقوع پرش هيدروليكي ، عمق هاي بحراني و تاثيرات عدد فرود مشخص گرديد . اين آزمايش نشان داد با تغيير دبي چگونه تمام قسمت هاي ديگر مساله ممكن است تغيير نمايند .

محاسبات آزمايش افت اصطكاك در لوله ها :

۱٫۳۳×۱۰

۰٫۳۳۵ ۰٫۲۶۸
۱٫۱۶×۱۰
۰٫۲۶۲ ۰٫۴۴۸ ۰٫۱۹۳
۸٫۳۳×۱۰
۰٫۱۵۶ ۰٫۱۴۴ ۰٫۱۲۲
۶٫۴×۱۰
۰٫۱۰۳ ۰٫۰۹۴ ۰٫۰۷۴
۵×۱۰
۰٫۰۶۷ ۰٫۰۶۲ ۰٫۰۵۱

‌ و
پس جريان در هم است .

Re F
1.33×۱۰
۱٫۳۵ ۱۵۰۴۸٫۲۶۲ ۰٫۰۳۴۹
۱٫۱۶۶×۱۰
۱٫۱۸ ۱۳۱۵۷٫۴۹۷ ۰٫۰۳۵۵
۸٫۳۳۳×۱۰
۰٫۸۴ ۹۳۹۸٫۲۱۲ ۰٫۰۳۷۵
۶٫۴×۱۰
۰٫۶۹ ۷۲۱۸٫۲۷۲ ۰٫۰۳۷۵
۵×۱۰
۰٫۵۰۷ ۵۶۳۸٫۲۹۷ ۰٫۰۴۱۵
محاسبات تئوري :
براي داريم :

× =خطا

براي :
خطا

براي :
خطا

براي :
خطا

براي :
خطا

 

براي :
خطا

براي لوله هاي ۴-۳ داريم :

× =خطا

براي :
خطا