Skip to main content
SUPERVISOR
جهانگیر عابدی کوپائی (استاد راهنما) جهانشیر محمدزاده هابیلی (استاد مشاور) منوچهر حیدرپوراسفرجانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Nahid Pourabdollah Ghahfarokhi
ناهید پورعبدالله قهفرخی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Experimental, analytical and numerical study of hydraulic jump in stilling basin with adverse slope, rough bed and positive step
Hydraulic jump is a phenomenon observed throughout converting the supercritical flow to the subcritical one. During this phenomenon, vortices causing energy loss and severe decrease in the flow velocity are observed. The researchers have always attempted to control the hydraulic jump in order to avoid heavy damages to hydraulic structures located downstream. Although there are studies on the effect of the adverse slope, the bed roughness, and the positive step on the characteristics of hydraulic jumps in a stilling basin, there are no published studies on the simultaneous application of all three cases. In this research, an analytical method was developed using important relationships in fluid mechanics and its comparison with experimental results. Finally, numerical simulation of hydraulic jumps in ten different conditions was performed with Flow-3D software and the results were compared with experimental. The average reduction of the sequent depth ratio was equal to 33%. In this study, the relative energy loss in free jump and submerged jump was 27.41 and 10% higher than Key Words Free jump, Submerged jump, Sequence depth, Jump Length, Roller Jump Length, Energy Loss, Velocity Profile, Flow-3D Model.
پرش هیدرولیکی پدیده ای است که هنگام تبدیل جریان فوق بحرانی به زیر بحرانی شکل می گیرد. همزمان با این پدیده آشفتگی های زیادی به صورت گردابه های شدید و جریان غلطابی معکوس ایجاد می شود که باعث افت انرژی و کاهش شدید سرعت جریان می گردد. محققین همواره در تلاش برای کنترل پرش هیدرولیکی به منظور جلوگیری از ورود خسارات سنگین به ابنیه موجود در پایین دست جریان بوده اند. هر چند مطالعاتی در زمینه اثر شیب معکوس، زبری بستر و پله مثبت انتهایی حوضچه آرامش روی خصوصیات مختلف پرش هیدرولیکی وجود دارد، اما مطالعات منتشر شده ای در زمینه کاربرد همزمان هر سه مورد مذکور وجود ندارد. لذا در این پژوهش اثر همزمان شیب معکوس، زبری بستر و پله مثبت انتهایی بر خصوصیات پرش با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی صورت گرفت. در این پژوهش به ارائه روش تحلیلی با استفاده از روابط مهم (مانند ناویر استوکس و مومنتم) در مکانیک سیالات و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی پرداخته شد. همچنین شبیه سازی پرش هیدرولیکی با استفاده از نرم افزار Flow-3D انجام و با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. براساس اندازه گیری های آزمایشگاهی در این تحقیق متوسط کاهش نسبت اعماق مزدوج %33 بود. همچنین در این تحقیق در محدوده فرود اولیه 4 تا 10 کاهش عمق ثانویه، 28 درصد اندازه گیری گردید. در این مطالعه مقدار افت انرژی نسبی در پرش آزاد و مستغرق به ترتیب برابر 41/27 و 10 درصد بیشتر از حالت کلاسیک مشاهده شد. بطور متوسط کاهش طول پرش در این تحقیق 47 درصد و کاهش طول غلتاب بطور متوسط 1/39 درصد بدست آمد. نتایج نشان داد که بین سطح شیب دار معکوس 3 و 5 درصد تفاوتی وجود ندارد و افزایش مقدار شیب معکوس تأثیری در کاهش نسبت اعماق مزدوج، طول پرش و طول غلتاب پرش هیدرولیکی نداشته است. بنابراین می توان مقدار شیب معکوس 3 درصد را انتخاب کرد. مقدار بهینه زبری و پله مثبت انتهایی نیز 2/1 و 3 سانتی متر بدست آمد. بر اساس نتایج، ضخامت لایه مرزی بی بعد در بستر زبر با شیب کف منفی همراه با پله مثبت انتهایی در پرش آزاد و مستغرق به ترتیب 71/0 و 37/0 به دست آمد که این مقدار در پرش بر روی بستر صاف 16/0 می‌باشد. همچنین مقادیر ضریب نیروی برشی ? در این تحقیق در پرش آزاد و مستغرق بطور متوسط به ترتیب 4/12 و 4/4 برابر حالت کلاسیک بود. با توجه به نتایج حاصل شده، وجود زبری و پله مثبت انتهایی در یک شیب ثابت سبب افزایش تنش برشی بستر و مانع از گسترش طولی گردابه ها و در نتیجه کاهش نوسانات فشار می شود. ضریب بدون بعد نوسانات فشار 7/64 درصد نسبت به حالت کلاسیک کاهش داشت. حداقل ضریب کاویتاسیون در این مطالعه برابر 87/3 محاسبه گردید. از این رو می توان گفت از نظر هیدرولیکی سازه با مشکل کاویتاسیون مواجه نیست. نتایج اندازه گیری های آزمایشگاهی نشان داد نسبت عمق استغراق در شیب معکوس، قطر زبری و ارتفاع پله انتهایی ثابت، با افزایش عدد فرود اولیه افزایش یافته است. همچنین با افزایش زبری مقدار نسبت عمق استغراق به دلیل اتلاف انرژی نسبت به حالت کلاسیک کاهش یافته است. بطور متوسط در این تحقیق مقدار کاهش نسبت عمق استغراق و طول پرش هیدرولیکی مستغرق در شرایط زبری بستر همراه با شیب معکوس و پله انتهایی 3/22 و 33 درصد نسبت به حالت کلاسیک آن بوده است. مقایسه اندازه گیری های آزمایشگاهی و محاسبات حاصل از روش های حل تحلیلی برای نسبت اعماق مزدوج درصد خطا 15±، 20±، 16± و 11± مشاهده شد. میزان شاخص های آماری NRMSE ، ME ، NS و R 2 برای نتایج نیمرخ سطح آب به ترتیب 34/4، 0052/0، 995/0 و 983/0 بدست آمد. همچنین مقدار این شاخص ها برای نیمرخ سرعت به ترتیب 92/14، 127/0، 982/0 و 962/0 محاسبه گردید. با مقایسه میزان شاخص های آماری خطا برای نیمرخ سطح آب و سرعت، می توان نتیجه گرفت که میزان تطابق مناسبی بین نتایج آزمایشگاهی و عددی وجود دارد. از این رو نرم افزار Flow-3D توانایی خوبی برای شبیه سازی پرش هیدرولیکی در انواع شرایط را دارد. حداکثر خطا بین نتایج آزمایشگاهی و عددی در نسبت اعماق مزدوج، طول پرش و طول غلتاب پرش به ترتیب 12، 12 و 16 درصد بدست آمد. همچنین با قرار گرفتن زبری، شیب معکوس و پله مثبت انتهایی به دلیل کاهش آشفتگی در طول پرش هیدرولیکی مقادیر شبیه سازی شده به نتایج آزمایشگاهی نزدیک تر گردید. بطور کلی میزان خطای شبیه سازی در نیمرخ سطح آب و سرعت به ترتیب برابر 31/5 و 4/12 درصد بدست آمد. بنابراین، به جای صرف هزینه های گزاف برای احداث حوضچه های آرامش، می توان با ایجاد زبری بستر، شیب معکوس همراه با پله مثبت انتهایی مقدار هزینه را کاهش داد. کلمات کلیدی: پرش آزاد، پرش مستغرق، اعماق مزدوج، طول پرش، طول غلتاب، افت انرژی، نیمرخ سرعت، نرم افزار Flow-3D .

ارتقاء امنیت وب با وف بومی