بررسی تأثیر ورودی کلید پیانویی بر هیدرولیک جریان در سرریزهای مدور قائم

STUDENT

DEGREE

YEAR

Intake vortices are the result of angular momentum conservation at the flow constriction, where angular velocity increases with a decrease in the cross sectional area. The common solution for avoiding air-entrainment and swirl is to provide sufficient submergence to the intake. If the required approach flow conditions can not be met to avoid swirl and air entrainment, other approaches for preventing vortices at water intakes are considered. There are several means fordecreasing of swirling flow power , where the most cost-effective option is often determined by a physical model study. Among the most economical and common measures of reducing the effect of air-entrainment and swirl strength, is the optimized shape of inlet for instance by installing a circular Piano-Key inlet over the pipe intake. If Piano-Key inlet is used, then, its’ optimum geometry should be studied experimentally. Since there is not any realized guidance for the use of circular Piano-Key inlets on pipe intakes, hence, a comprehensive set of model experiments have been carried out using Piano-Key inlets with different dimensions, with respect to the vertical pipe intakes, and two different pipe diameters of ( D =) 10 and 12.7 cm in cylinderical tank with two meter diameter and 1 meter hight. In this study, a comprehensive experimental investigation was performed to better understand the effects of Piano Key inlet geometry on discharge coefficient and threshold submergence in orifice flow. The effects of the Piano Key inlet’s geometric parameters, including inlet length, height and angle on shaft flow discharge coefficient and threshold submergence were investigated. Also velocity profiles were taken by Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) which moves in radius direction of the tank Results showed that by employing a Piano-Key inlet over the vertical pipe intake, the threshold submergenceof orifice flow reduces significantly.Determining the range of threshold submergenceof orifice flow for all physical Piano-key inlet is one of the propose of this study. Fianally, according to the results, the effect of Piano-Key inlet geometry on discharge coefficientof orifice flow were evaluated in the form of realized relationships which would be of practical interest for design engineers.In addition, an equation was proposed to determine the discharge coefficientof orifice flow of shaft spillway with Piano-Key inlet. Equations were developed by using the Statistical Package for the Social Sciences (). To check the correlations, the normalized root-mean-square error (NRMSE), the weighted quadratic deviation (WQD) and the coefficient of determination R 2 were considered. Contrary to R 2 , both NRMSE and WQD must be small to have a good relation among parameters and the data. Keywords : Discharge coefficient, Shaft spillways, Threshold submergenceof orifice flow, Swirling flow, Piano-Key weir, Experimental model.

سرریز در سدها به منظور انتقال سیلاب‌های بزرگ بدون ایجاد مخاطره در سد و تأسیسات وابسته و جلوگیری از بروز آسیب غیرقابل‌جبران در سیستم های هیدرولیکی استفاده می شود. شکل تاج سرریز باید تأمین کننده شرایط هیدرولیکی مطلوب نظیر ضریب تخلیه مناسب و توزیع کاملاً یکنواخت فشار گردد.یکی از انواع بسیار مهم و کاربردی سرریزها، سرریز مدور قائم با فرم‌های مختلف ورودی نظیر نیلوفری یا لاله‌ای است. این نوع سرریز در شرایطی که محدودیت مکانی برای ساخت دیگر انواع سرریزها وجود دارد، بسیار موثر عمل می کند. از خصوصیات هیدرولیکی این سرریز می‌توان به تشکیل جریان گردابی در ورودی آن اشاره نمود. بررسی این نوع جریان در طراحی سرریزهای مدور قائم امری بسیار مهم تلقی می‌شود. زیرا تشکیل جریان گردابی و به دنبال آن ورود هوا به مجرا می‌تواند تاثیرات منفی بر عملکرد هیدرولیکی این نوع سرریز ایجاد نموده و باعث بروز خسارات جبران‌ناپذیری شود.روش ‌های مختلفی برای کنترل و کاهش اثرات زیان بار جریان گردابه ای در ورودی سرریزهای مدور قائم وجود دارد که یکی از این روش ها، استفاده از سازه‌های ضدگرداب است. در عین حال می‌توان با اصلاح شکل ورودی ضمن افزایش ضریب دبی جریان قدرت جریان گردابه‌ای را کاست. از جمله روش‌های اصلاح شکل ورودی،می‌توان به ورودی کلید پیانویی مدوراشاره نمود. احداث این نوع ورودیبه منظور افزایش ظرفیت ذخیره، هزینه‌ی بالایی به طرح تحمیل نمی‌کند. ساختار سرریز کلید پیانویی ساده بوده و به طور قابل توجهی هزینه‌های احداث سرریز سدهای جدید را کاهش می‌دهد.سرریز کلیدپیانوییاز حدود یک دهة پیش مطرح شده است و به همین دلیل هنوز به صورت دقیق در ارتباط با این نوع سرریز و مشخصات هیدرولیکی آن بررسی گسترده و جامعی صورت نگرفته است. ورودی کلید پیانویی به عنوان یک نوع گرداب شکن، بر شکل جریان گردابی تاثیر گذاشته و ظرفیت تخلیه ی شفترا افزایشمی دهد.در تحقیق حاضر اثر ورودی کلید پیانویی بر هیدرولیک جریان در سرریزهای مدور قائم به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه جریان از نوع روزنه‌ای بر روی سرریز مدور قائم مجهز به ورودی کلید پیانویی ارزیابیمی‌شود. به دلیل پیچیدگی جریان عبوری از روی سرریز مدور با ورودیکلید پیانوییو دخیل بودن پارامترهای متعدد بر شرایط هیدرولیکی جریان، با انجام آنالیز ابعادی پارامترهای مؤثر بر مسأله شناساییگردیدند. مدل‌سازی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران بر روی مدلی شبیه سازی شده از میدان جریان اطراف سرریز مدور قائم انجام شده است. مدل میدان جریان شامل مخزنی استوانه ای به قطر 2 متر و ارتفاع 1 متر است که در وسط کف این مخزن شفت مدور قائم با قطرهای مختلف (10و 7/12سانتیمتر)، متصل می‌گردد. آزمایشات برای دبی‌های مختلف در محدوده‌ی6 تا 28 لیتر بر ثانیه در حالت وجود و عدم وجود ورودی کلید پیانویی انجام شده است. برای مدل‌سازی شکل ورودی کلید پیانویی، فرم‌های مختلف ورودی با طول، ارتفاع و زوایای مختلف روی شفت قائم نصب گردید. نتایج آزمایشات برداشت‌های مختلفی از پروفیل‌های سرعت و سطح آب توسط سرعت‌سنج ADV و عمق سنج که هر دو توسط ریل متحرک دواری بر روی دیواره مخزن سوار می‌شدند، می‌باشد. در نهایت با استفاده از نرم افزار آماری و روش درون یابی غیر خطی معادلات مختلفی برای تعیین ضریب دبیجریان و شرایط آستانه ایعبور جریان از حالت آزاد به جریان روزنه ای برای ورودی های مختلف کلیدپیانوییارائه خواهد شد. برای تعیین بهترین رابطه‌ها با کمترین خطا و بیشترین ضریب همبستگی، از توابع خطایNRMSE، WQD و R 2 استفاده شده است. کلمات کلیدی: ضریب دبی، سرریز مدور قائم، آستانه ی جریان روزنه ای، جریان گردابی، سرریز کلید پیانویی و مدل آزمایشگاهی