تاثیر شیب جانبی دیواره تبدیل همگرا بر روی پارامترهای هیدرولیکی امواج ضربه‌ای

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای سازه‌های آبی گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

2 استاد گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

4 استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

چکیده

تبدیل­های همگرا در کانال­های با جریان­ فوق بحرانی از جمله کانال­های انتقال آب سدها به سرریزهای تونلی، تندآب­ها و کانال­های انتقال سیلاب کاربرد دارند. جریان فوق بحرانی در تبدیل­های همگرا با تشکیل امواج ضربه­ای همراه می­باشد. تولید و توسعه این امواج به دلیل افزایش ارتفاع آب به اندازه چندین برابر عمق جریان ورودی و گسترش آن در محدوده وسیعی از کانال پایین­دست و ناهموار ساختن سطح آب به لحاظ مهندسی نامطلوب بوده و هر گونه طراحی ضعیف کانال می­تواند منجر به آبشستگی دیواره­ها و کف کانال، آسیب رساندن به تجهیزات مسیر جریان و بالا بردن هزینه­های مربوط به نگهداری و کاهش راندمان انتقال آب گردد. در تحقیق حاضر تشکیل امواج ضربه­ای در تبدیل­های همگرای کانال روباز با مقطع ذوزنقه­ای با به­کارگیری مدل­های آزمایشگاهی و عددی بررسی شد. طول دیواره­های تبدیل و زاویه شیب جانبی دیواره­ها به عنوان متغیرهای هندسی در نظر گرفته شد. مقادیر ارتفاع و سرعت لحظه­ای در نقاط مختلف امواج ضربه­ای در تبدیل­ها به­ازای عدد فرود 26/7 و نسبت همگرایی 5/0 اندازه­گیری شد. همچنین به­منظور شبیه­سازی سه­بعدی از مدل­ آشفتگی RNG k-ε در محیط FLOW-3D استفاده گردید. نتایج حاکی از آن بود که افزایش زاویه شیب جانبی و کاهش طول دیواره تبدیل منجر به افزایش ارتفاع و سرعت موج ضربه­ای می­شود. میانگین خطای نسبی محاسبه پروفیل سطح آزاد امواج ضربه­ای به ازای زوایای شیب جانبی 70-35 درجه و طول­های 1 و 5/0 متر به­ترتیب در محدوده 14/3-28/2 و 06/5-29/4 درصد بدست آمد. همچنین میانگین خطای نسبی محاسبه سرعت امواج ضربه­ای به ازای شرایط فوق به­ترتیب در محدوده 90/4-00/3 و 63/7-68/5 درصد بدست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Side Slope of Contraction Wall on Hydraulic Parameters of Shock Waves

نویسندگان [English]

  • farinaz Shoja Talatapeh 1
  • davood Farsadizadeh 2
  • ali Hosseinzadeh Dalir 2
  • javad Behmanesh 3
  • mohammad reza Nikpour 4
1 Ph.D. Student of Water Engineering. Department of Water Engineering. University of Tabriz.
2 Professor of Water Engineering. Department of Water Engineering. University of Tabriz.
3 Associated Professor of Water Engineering. Department of Water Engineering. University of Urmia.
4 Assistant Professor of Water Engineering. Department of Water Engineering. University of Mohaghegh Ardabili.
چکیده [English]

Contractions are widely used in channels with supercritical flow, such as water conveyance systems from dams to tunnel spillways, chutes and flood delivery conduits.Technically, production and development of the mentioned waves are undesirable due to water depth increase because of several times increasing of inflow water depth, its spread at a wide range in downstream of channel and water surface roughness.  Any weak design of channels under supercritical condition can cause to scour bed and wall the channel, damage to equipment in the flow direction, raising maintenance costs and reduce water conveyance efficiency. In the present research, the formation of shock waves in contractions of open-channel with trapezoidal sections was investigated using experimental and numerical models. The length of transition walls (0.5 and 1m) and angle of side walls (35º, 45º, 60º and 70º) were intended as geometric variables. In different point of shock waves the values of height and instantaneously velocity were measured in the contractions for Froude number and convergence ratio 7.26 and 0.5 respectively. In this research Flow-3D software and in order to simulate turbulent flow, the k-ε RNGmodel was used. Experimental results showed that increasing the angle of side walls and reducing the length of transition walls caused increment of the shock waves height and velocity. The average relative errors of calculation of shock waves height for different angles: 35º-70º and length of transition walls: 0.5m and 1m were respectively in the range of 4.29-5.06 and 2.28-3.14 percent. Also, the average relative errors of calculation of shock waves velocity for mentioned models were respectively in the range of 3-4.90 and 5.68-7.63 percent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Instantaneously velocity
  • Supercritical flow
  • Trapezoidal section
  • Turbulence model
جعفرزاده،م و علامتیان،ا. 1388، ارزیابی مدل­های تلاطمی در شبیه سازی امواج تیز ایستا در جریان­های فوق­بحرانی کانال­ها، مجموعه مقالات هشتمین کنفرانس هیدرولیک ایران. 19-17 آبان. دانشکده فنی و مهندسی. دانشگاه تهران.

شجاعی­فرد،م.ح و نورپور هشترودی،ا. 1393. مقدمه­ای بر دینامیک سیالات محاسباتی، دانشگاه علم و صنعت ایران. 485 صفحه.

نیک­پور،م. 1392، بررسی جریان­های فوق­بحرانی در تبدیل کانال­های روباز با استفاده از مدل­های آزمایشگاهی و عددی، رساله دکتری. دانشکده کشاورزی. دانشگاه تبریز. تبریز. ایران.

Bhallamudi,S.M and Chaudhry,M.H. 1992. Computation of flows in open-channel transitions. Journal of Hydraulic Research. 30.1: 77-93.

Causon,D.M., Mingham,C.G and Ingram,D.M. 1999. Advances in calculation methods for supercritical flow in spillway channels, Journal of Hydraulic Engineering. 125.10: 1039-1050.

Jaefarzadeh,M.R., Shamkhalchian,A and Jomehzadeh,M. 2012. Supercritical flow profile improvement by means of a convex corner at a bend inlet, Journal of Hydraulic Research IAHR. 50.6: 623-630.

Jan,C.D., Chang,C.J., Lai,J.S., Guo,W.D. 2009. Characteristics of hydraulic shock waves in an inclined chute contraction – Experiments, Journal of Mechanics. 25.2: 129-136.

Kolarevi,M., Savi,L., Kapor,R and Mladenovi,N. 2013. Supercritical flow in circular pipe bends Scientific, Journal published by the Faculty of Mechanical Engineering. 42: 128-133.

Kreger,S and Rutschmann,P. 2006. 3D Modeling supercriticalflow with extended shallow-water approach, Journal of Hydraulic Engineering. 132.9: 916-926.

Ming,H., Tung,H and Tsang,J. 2004. Optimal channel contraction for supercritical flows. Journal of Hydraulic Research, IAHR. 42.6: 639-644.

Montazeri-Namin,M., Ghazanfari-Hashemi,R and Ghaeini-Hessaroeyeh,M. 2012. 3D numerical simulation of supercritical flow in bends of channel, p. 167-171. International Conference on Mechanical Automotive and Materials Engineering. 7-8 January 2012. DubaiUnited Arab Emarates.

Reinauer,R and Hager,W.H. 1997. Supercritical bend flow Journal of Hydraulic Engineering. 123.3: 208-218.

Ya-kun,L and Han-gen,N. 2008. Abrupt deflected supercritical water flow in slopped channels. Journal of Hydrodynamics. 20.3: 293-298.