SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemeh Habibi Khozani
فاطمه حبیبی خوزانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Hydraulic characteristics of blow-back and blow-out phenomena in bottom outlets based on model experimentation
Hydraulic characteristics of blow-back and blow-out phenomena in bottom outlets based on model experimentation Fatemeh habibi khoozani f.habibi@cv.iut.ac.ir Date of Submission: Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc. Language: Farsi Supervisors: Dr. Abdorreza Kabiri Samani ( akabiri@iut.ac.ir ) Flow through the bottom outlets is accompanied by the formation of free-surface vortices at the intake. Generation of vortices results in air suction into the pipeline, creating small to large air pockets in the conduit of the bottom outlets, thereby an air-water two-phase flow generates inside the pipelines and bottom outlets. This phenomenon has caused severe and sometimes irreparable damages in the hydraulic structures. One of these problems with air entrainment into the bottom outlets is the occurrence of blow-back and blow-out phenomena. These two phenomena occur as a result of the movement of air pockets up- and downward, exiting from the inlet and outlet of the pipe, respectively and reducing the pipeline flow discharge capacity. Due to the severity and problematic behavior of these phenomena, in hydraulic structures and sewage networks, more researches are essential. In the present experimental study, by creating the necessary conditions for the generation of free-surface vortex at the inlet of the bottom outlets, the conditions for the establishment of air-water two-phase flow as well as the occurrence of blow-back and blow-out in the bottom outlet are provided. The tests were performed in a cylindrical reservoir made of galvanized iron sheet with a diameter of 2 and a height of 1 meter, in which a vertical shaft spillway is installed at its center to the reservoir floor. By changing the flow hydraulic conditions, such as flow discharge, water depth at up- and downstream reservoirs, the hydraulic characteristics of flow inside the bottom outlet were investigated. The velocity and volume of air pockets, the internal pressure inside the pipeline and the swirling flow velocity profiles and water free-surface level in the upper reservoir during the generation of blow-back and blow-out phenomena were measured. The blow-back phenomenon occurs at flow discharges of 8.5 ? Q ? 18.5 and a range of Froude numbers between 0.2 and 0.8. While the blow-back creates, by increasing the swirling parameter by about 1.43, dimensionless air pocket velocity increases. Increasing the upper reservoir water head tends to increase the volume of air pockets with an increased velocity in both blow-back and blow-out flow regimes. By increasing the lower reservoir submergence up to 3.78, the trend of dimensionless air bubble velocity is ascending, however, by increasing the downstream submergence depth up to 3.97 the air pocket velocity decreases. By generating the blow-back phenomenon, the internal pressure inside the bottom outlet decreases, whereas it increases while the blow-out generates. Furthermore, by increasing the water depth at the downstream reservoir, the average internal pressure applied to the pipeline increases by about 20%. Applying the dimensional analysis and examining different relationships, the best correlations for the estimation of air bubble velocities in both blow-back and blow-out flow regimes were proposed using the statistical software. Key words: Air bubble velocity, Air-water flow, Blow-back, Blow-out, Bottom outlet, Pressure fluctuations, Two phase flow.
1 یکی از سازههای مهم در مهندسی سد، تخلیهکنندههای تحتانی هستند. تشکیل گرداب در ورودی مجرای تخلیهکننده تحتانی باعث مکش تودههای هوا به داخل مجرا میشود. وجود این تودههای هوا در سازههای هیدرولیکی باعث تحمیل خسارات شدید و گاه جبرانناپذیر زیادی شده است. یکی از مشکلات ورود هوا به مجرای تخلیهکننده، وقوع پدیدههای پسزدن جریان و فوران است. این دو پدیده به ترتیب بر اثر حرکت تودههای هوا به سمت بالادست و پاییندست و خروج آنها از قسمت ورودی و خروجی مجرا رخ میدهند و سبب کاهش ظرفیت مجرا در انتقال جریان میشوند. بهدلیل خسارات زیاد و مشکلاتی که این دو پدیده برای سازههای هیدرولیکی و همچنین شبکههای فاضلاب بهوجود میآورند، تحقیق در رابطه با ویژگیهای هیدرولیکی آنها ضروری به نظر میرسد.. در تحقیق حاضر با ایجاد شرایط لازم برای تشکیل جریان گردابی در ورودی مجرای تخلیهکننده تحتانی در یک مدل آزمایشگاهی، شرایط برای ایجاد جریان دوفازی و وقوع پدیدههای پسزدن جریان و فوران مهیا میشود. آزمایشها در یک مخزن استوانهای از جنس ورق گالوانیزه به قطر 2 و ارتفاع 1 متر که در مرکز آن شفت قائمی قرار گرفته است، انجام میشود. با تغییر شرایط هیدرولیکی جریان نظیر؛ دبی، هد آب بالادست و عمق آب پاییندست، پارامترهای هیدرولیکی جریان اندازهگیری میشوند.. در این تحقیق سرعت و حجم تودههای هوا، فشار وارد بر مجرا و تغییرات سرعت جریان گردابی در سطح آب مخزن در هنگام وقوع پدیدههای پسزدن جریان و فوران اندازهگیری شده است. پدیدهی پسزدگی در محدودهی دبی 5/18? Q ? lit/s5/8 و محدوده عدد فرود 2/0? Fr ? 8/0اتفاق میافتد. در پدیدهی پسزدن جریان با افزایش SP تا مقدار 43/1 عدد بیبعد سرعت تودههای هوا افزایش پیدا میکند ولی با افزایش بیشتر SP به مقدار 54/1 سرعت بازگشت تودههای هوا کاهش پیدا میکند. افزایش هد آب بالادست و حجم تودههای هوا سبب افزایش سرعت تودههای هوا در هر دو رژیم پسزدن جریان و فوران میشود. با افزایش عدد استغراق خروجی تا مقدار 78/3، روند تغییرات عدد بیبعد سرعت تودههای هوا بهصورت صعودی است. ولی با افزایش عدد استغراق به مقدار 97/3، عدد بیبعد سرعت تودههای هوا کاهش مییابد با وقوع پدیده پسزدن جریان، فشار در مجرا به مقدار زیادی کاهش مییابد و با وقوع فوران، فشار افزایش پیدا میکند. همچنین با افزایش عمق پایاب میانگین فشار وارده به کف مجرا حدود 20 درصد افزایش مییابد.در انتها با انجام آنالیز ابعادی و بررسی ارتباط پارامترهای مؤثر و سپس با استفاده از نرمافزار آماری معادلاتی برای تعیین سرعت حرکت تودههای هوا در هر دو رژیم جریان ارائه میشود. کلمات کلیدی: تخلیهکننده تحتانی، جریان دوفازی آب و هوا، پسزدن جریان، فوران، تغییرات فشار، سرعت تودههای هوا