بررسی تئوری و عددی ضریب‌دبی دریچه‌های کشویی و قطاعی در شرایط کاربرد آستانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 عضو هیات علمی گروه آب دانشکده عمران دانشگاه تبریز

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

دریچه‌های زیرگذر سازه‌هایی هستند که در آن‌ها حرکت آب از زیر دریچه صورت می‌پذیرد. هدف از تحقیق حاضر، بررسی عددی تأثیر وجود آستانه‌ بر مشخصات هیدرولیکی جریان در دریچه‌های کشویی و قطاعی با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D است. بدین منظور، آستانه‌ با مشخصات هندسی مختلف در عرض‌، ضخامت و ارتفاع مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که شاخص‌های آماری در مدل آشفتگی RNG در مقایسه با مدل‌های k-ε، k-ω و LES از دقت بالایی در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی برخوردار است. شاخص RMSE در مدل آشفتگی RNG برای عمق آب بالادست دریچه و ضریب‌دبی به‌ترتیب 0079/0 متر و 0117/0 بوده و میانگین درصد خطای نسبی برای این پارامترها به‌ترتیب 94/2% و 60/1 % می‌باشد. شاخص کلینگ گوپتا (KGE) برای مش‌بهینه و مدل آشفتگی مذکور در بازه بسیار خوب (very good) قرار دارد. در یک بازشدگی یکسان در حالت بدون آستانه و با آستانه هم‌عرض کانال، ضریب‌دبی با آستانه، بیشتر از حالت بدون آستانه است. در بین آستانه‌های بررسی شده میزان ضریب‌دبی در آستانه نیم‌دایره بیشتر از آستانه مستطیلی است. همچنین ضریب‌دبی دریچه قطاعی در حالت بدون آستانه و با آستانه بیشتر از دریچه کشویی در حالت متناظر است. نتایج نشان داد که افزایش ضخامت آستانه منجر به افزایش تنش برشی جریان شده و به‌تبع آن ضریب‌دبی کاهش می‌یابد. ضریب‌دبی دریچه با ارتفاع‌های مختلف آستانه همواره بیشتر از شرایط بدون آستانه می‌باشد اما به‌ازای نسبت ثابت پارامتر عمق بالای آستانه به میزان بازشدگی، ضریب‌دبی با افزایش ارتفاع آستانه تا حد مشخصی افزایش و سپس کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Theoretical and Numerical Investigation of the Sluice and Radial Gates Discharge Coefficient in the Conditions of Sill Application

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Abbaszadeh 1
  • Kiyoumars Roushangar 2
  • Zahra Salahpour 3
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 M.Sc. student, Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Underpass gates are structures in which water moves through the gate. The purpose of this research is to investigate the effect of the sill on the hydraulic characteristics of flow in sluice and radial gates numerically using FLOW-3D software. For this aim, sills with different geometric characteristics in width, thickness, and height were investigated. The results showed that the statistical indicators in the RNG turbulence model have high accuracy compared to the k-ε, k-ω, and LES models in comparison with the experimental results. The RMSE in the RNG turbulence model for the upstream water depth and the discharge coefficient are 0.0079 m and 0.0117 m, respectively, and the average percentage relative error for these parameters is 2.94% and 1.60%, respectively. The Kling Gupta Efficiency (KGE) for the optimal mesh and mentioned turbulence model is in the very good range. In the same opening in the case without and with a suppressed, the discharge coefficient with the sill is higher than without the sill. Among the investigated sills, the discharge coefficient in the semi-circular sill is higher than in the rectangular sill. Also, the discharge coefficient of the radial gate in the without and with a sill is higher than the sluice gate in the corresponding state. The results showed that the increase in the thickness of the sill leads to an increase in the shear stress of the flow and consequently the discharge coefficient decreases. The discharge coefficient of the gate with different heights of the sill is always higher than the one without the sill, but due to the constant ratio of the depth parameter above the sill to the opening, the discharge coefficient increases with the increase of the height of the sill up to a certain level and then decreases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Discharge Coefficient
  • FLOW-3D
  • Nonlinear Regression Equation
  • Radial Gate
  • Sluice Gate

مراجع

روشنگر، ک.، علیرضازاده صدقیانی، الف. و شهنازی، سامان. 1400. مدل‌سازی ضریب دبی دریچه‌های قطاعی در شرایط جریان مستغرق با استفاده از روش‌های پایه کرنلی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 15 (1): 120-109.
Alhamid, A.A. 1999. Coefficient of discharge for free flow sluice gates. Journal of King Saud University - Engineering Sciences. 11 (1) :33-47.
Daneshfaraz, R., Ghahramanzadeh, A., Ghaderi, A., Joudi, A.R. and Abraham, J. 2016. Investigation of the effect of edge shape on characteristics of flow under vertical gates. Journal of American Water Works Association. 108 (8): E425-E432.
Daneshfaraz, R., Norouzi, R., Abbaszadeh, H. and Azamathulla, H.M. 2022. Theoretical and experimental analysis of applicability of sill with different widths on the gate discharge coefficients. Water Supply. 22 (10):7767–7781.
Flow Science Inc. 2016. FLOW-3D V 11.2 User’s Manual, Santa Fe, NM, USA; 2016.
Ghorbani, M.A., Salmasi, F., Saggi, M.K., Bhatia, A.S., Kahya, E. and Norouzi, R. 2020. Deep learning under H2O framework: A novel approach for quantitative analysis of discharge coefficient in sluice gates. Journal of Hydroinformatics. 22 (6): 1603-1619.
Gupta, H.V., Kling, H., Yilmaz, K.K. and Martinez, G.F. 2009. Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. J. Hydrol. 377 (1-2): 80–91.
Henry, H.R. 1950. Discussion on "Diffusion of submerged jets, "by Albertson, M. L. et al., Trans. Am. Society Civil Engrs. 115:687.
Karami, S., Heidari, M.M. and Adib Rad, M.H. 2020. Investigation of free flow under the sluice gate with the sill using flow-3D model. Iran J Sci Technol Trans Civ Eng. 44:317–324.
Mohammed, A. and Moayed, K. 2013. Gate lip hydraulics under sluice gate. Modern Instrumentation. 2 (1): 16-19.
Nasrabadi, M., Mehri, Y., Ghassemi, A. and Omid, M.H. 2021. Predicting submerged hydraulic jump characteristics using machine learning methods. Water Supply. 21 (8): 4180–4194.
Negm, A.M., Alhamid, A.A. and El-Saiad, A.A. 1998. Submerged flow below sluice gate with s sill. Proceedings of International Conference on Hydro-Science and Engineering Hydro-Science and Engineering ICHE98, Advances in Hydro-Science and Engineering, Vol.III, Published on CD-Rom and A Booklet of Abstracts, 31 Aug.-3 Sep. Cottbus/Berlin.
Rajaratnam, N. and Subramanya, K. 1967. Flow equation for the sluice gate. Journal of the Irrigation and Drainage Division. 93 (3): 167-186.
Rajaratnam, N. 1977. Free flow immediately below sluice gates. Journal of the Hydraulics Division. 103 (4): 345-351.
Salmasi, F. and Norouzi Sarkarabad, R. 2018. Investigation of different geometric shapes of sills on discharge coefficient of vertical sluice gate. Amirkabir Journal of Civil Engineering. 52 (1): 2-2.
Salmasi, F., Nouri, M., Sihag, P. and Abraham, J. 2021. Application of SVM, ANN, GRNN, RF, GP and RT models for predicting discharge coefficients of oblique sluice gates using experimental data. Water Supply. 21 (1): 232-248.
Salmasi, F., Nouri, M. and Abraham, J. 2019. Laboratory study of the effect of sills on radial gate discharge coefficient. KSCE J Civ Eng. 23: 2117–2125.
Shivapur, A.V. and Shesha Prakash, M.N. 2005. Inclined sluice gate for flow measurement. ISH Journal of Hydraulic Engineering. 11 (1): 46-56.
Swamee, P.K. 1992. Sluice gate discharge equations. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 118 (1): 56-60.
White, Frank M. 2016. Fluid Mechanics (8th ed). Secacus, United State: McGraw Hill Education.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 17، شماره 4 - شماره پیاپی 100
مهر و آبان 1402
صفحه 625-641

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار