Skip to main content
SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Ali Mirhoseini
سیدعلی میرحسینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Hydraulic characteristics of flow at shaft spillways, using Piano-Key inlet
Exceptional hydraulic characteristics of these spillways, resulted in extensive use of vertical shaft spillways in stone-bed-rivers as well as narrow valleys with steep slopes. In such conditions other types of spillways are almost inappropriate or are not economical. These spillways are hydraulically imposed with several problems, owing to formation of surface vortices at their intakes. Generation of air-core vortices at the spillway intake, leads to cavitation and reduction of the spillway flow discharge. Vortices are commonly appear until a critical submergence depth is attained. To overcome these destructive effects and to diminish the air entrainment into the shaft, a number of devices and solutions have been proposed. Among these the most applicable one is establishment of anti-vortex plates at the spillway crest. These plates delay the generation of air-core vortex flow and directs the streamlines towards the shaft’s center radially. Recently, an innovative shape of inlet namely circular Piano-Key (CPK) inlet has been proposed to diminish the vortices at the intakes, thereby to increase the discharge capacity of shaft spillways. Having a simple configuration, CPKs are economic hydraulic structures, being able to suspend the vortex flow at the spillway entrance. Compared to a simple circular shaft spillway inlet, the effective length of a CPK inlet is increased, resulting in the increased flow discharge of up to 4 times the flow discharge of the corresponding simple shaft spillway. The present study investigates the hydraulic characteristics of flow at vertical shaft spillways equipped with CPK inlets, based on model experimentation. Experiments were performed in a cylindrical galvanized reservoir of 2 m diameter and 1 m high, in which a vertical shaft is placed at center of the reservoir bottom. CPK inlets with different length, height and key angles were assembled over the entrance of the vertical shaft and different hydraulic aspects of flow were studied. Water flow head over the inlets were measured by means of a point gauge of 1 mm precision, as well as by a set of piezometers installed under the reservoir bottom. Instantaneous velocity measurements were made applying an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). CPK inlets act as anti-vortex devices, reducing the tangential flow velocity component. Accordingly the water head decreases for a given flow discharge compared to the simple vertical shafts and Morning glory spillways.The measured data were analyzed using a nonlinear regression analysis and a statistical software namely , resulting in different correlations for determining the discharge coefficient, orifice flow threshold submergence and critical submergence depth. To validate the obtained correlations several criteria including the NRMSE, WQD and R 2 for each derived equation were examined. Finally the best correlations with the maximum coefficient of determination and the minimum error values presented herein. Key words : Critical submergence depth, discharge coefficient, piano key weir, surface vortex, vertical shaft spillway.
یکی از کاربردی‌ترین سرریزها، سرریز مدور قائم است. ویژگی‌های منحصر به فرد این نوع سرریز یکی از علل استفاده‌ی فراوان از این نوع سرریز در رودخانه های با بستر سنگی و دره‌های تنگ با شیب تند است. در این شرایط معمولاً احداث انواع دیگر سرریزها ممکن نیست. از نقطه نظر هیدرولیکی این سرریزها به دلیل بروز پدیده گرداب سطحی با مشکلات عدیده ای روبرو هستند. تشکیل جریان گردابی در ورودی سرریز و به تبع آن ورود هوا به مجرا، در برخی موارد سبب بروز پدیده‌ی کاویتاسیون و کاهش ضریب دبی سرریز می شود و تا رسیدن به عمق استغراق بحرانی ادامه خواهد داشت. برای مقابله با اثرات مخرب گرداب‌ها و همچنین ورود هوا به داخل مجرا، راه کارهای متعددی پیشنهاد شده است. که شاخص‌ترین آن‌ها تعبیه‌ی تیغه ها‌ی ضدگرداب بر روی تاج در ورودی است. این تیغه ها باعث به تأخیر انداختن جریان گردابی و جهت‌دهی و هدایت خطوط جریان به سمت مرکز شفت می‌شوند. یکی از روش‌های جدیدتر مقابله با جریان گردابی، اصلاح فرم ورودی سرریز مدور قائم با استفاده از ورودی کلید پیانویی است. سرریز کلید پیانویی ضمن دارا بودن ساختار ساده، هزینه‌ی بالایی را به طرح تحمیل نمی‌کند و باعث به تأخیر افتادن گردابه‌ها می‌شود. از آنجا که در سرریز کلید پیانویی طول مؤثر نسبت به حالت ساده افزایش می‌یابد، ‌دبی عبوری از سازه تا 4 برابر بیشتر می‌شود. در تحقیق حاضر به بررسی آزمایشگاهی مشخصات هیدرولیکی جریان در سرریز مدور قائم با ورودی کلید پیانویی پرداخته می شود. آزمایش ها در مخزنی استوانه ای شکل از جنس ورق گالوانیزه به قطر 2 و ارتفاع 1 متر که در مرکز آن شفت قائمی قرار گرفته است، انجام می شود. ورودی های کلید پیانویی با طول، ارتفاع و زوایای قطاع مختلف روی ورودی سرریز مدور قائم نصب شده و پارامترهای هیدرولیکی مختلف جریان اندازه گیری می شوند. به منظور اندازه گیری دبی از یک دبی سنج الکترومغناطیسی دیجیتال استفاده می شود. برای اندازه گیری عمق جریان در مخزن و هد آب روی سرریز از عمق سنج نقطه ای با دقت 1/0 میلیمتر و پیزومترهای نصب شده در کف مخزن استفاده می شود. برای اندازه گیری سرعت از دستگاه سرعت سنج صوتی ADV استفاده خواهد شد. جانمایی سرریز کلید پیانویی به عنوان ورودی سرریز مدور قائم سبب افزایش طول کلی تاج سرریز شده و دبی عبوری را افزایش می دهد. هم چنین به علت آن که سرریز در میدان جریان گردابی، به صورت گرداب شکن نیز عمل می کند، سبب کاهش مقدار مؤلفه ی مماسی سرعت خواهد شد. به طور کلی استفاده از ورودی کلید پیانویی در مقایسه با شفت قائم درتراز ثابت، سبب کاهش قدرت جریان گردابی و افزایش میزان دبی عبوری خواهد شد. با انجام آنالیز ابعادی و بررسی ارتباط پارامترهای مؤثر و سپس با استفاده از نرم افزار آماری و روش درون یابی غیرخطی معادلات مختلفی برای تعیین ضریب دبی جریان، آستانه استغراق روزنه ای و عمق استغراق بحرانی برای ورودی های مختلف کلید پیانویی ارائه خواهد شد. کلمات کلیدی: ضریب دبی، سرریز مدور قائم، سرریز کلید پیانویی، عمق استغراق بحرانی، گرداب سطحی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی