مطالعه آزمايشگاهي جريان فوق بحراني در تبديل هاي همگرا با مقاطع ذوزنقه اي و مستطيلي

Experimental Investigation of Supercritical Flows in Open-Channels Contraction with Trapezoidal and Rectangular Sections

وجود هرگونه تغيير هندسي مانند تبديل در مسير كانال­هاي با جريان فوق بحراني، موجب تغيير ناگهاني عمق و سرعت جريان و تشكيل امواج ضربه­ اي مي­ شود. در اين تحقيق، ارتفاع و سرعت امواج ضرب ه­اي در تبديل­هاي همگراي كانال روباز با مقاطع ذوزنقه ­اي و مستطيلي با به­ كارگيري مدل­هاي آزمايشگاهي بررسي شد. زاويۀ شيب جانبي ديواره­ها 45، 60، 70 و 90 درجه و نسبت همگرايي 1 به 2، 1 به 3 و 1 به 4 به­عنوان متغيرهاي هندسي و همچنين چهار عدد فرود مختلف در محدوده 23/9-25/3 به ­عنوان متغير هيدروليكي آزمايش­ها در نظر گرفته شد. تحليل پروفيل­ هاي سرعت و سطح آزاد امواج ضربه ­اي نشان مي‌دهد كه در حالت كلي، افزايش زاويۀ شيب جانبي ديوارۀ تبديل، كاهش نسبت همگرايي و افزايش عدد فرود جريان رابطه­ اي مستقيم دارد با افزايش ارتفاع و سرعت امواج. نتايج تحقيق همچنين نشان مي‌دهد كه بيشينۀ ارتفاع امواج ضربه­اي در تبديل­هاي همگرا با مقاطع ذوزنقه­ اي، به ­ازاي نسبت همگرايي 1 به 2 و زاويه­ هاي شيب جانبي 45، 60 و 70 درجه، در مقايسه با مقطع مستطيلي، به­ طور ميانگين به ­ترتيب به­ ميزان 34/59، 27/44 و 04/24 درصد كاهش مي‌يابد. همچنين، بيشينۀ سرعت امواج ضرب ه­اي به ­ازاي شرايط مذكور به­ترتيب به­ميزان 51/37، 23/25 و 67/14 درصد كاهش مي‌يابد. نظر به اينكه كانال­هاي اجرايي عمدتاً با مقطع ذوزنقه­ اي ساخته مي­ شوند، يافته­ هاي پژوهش حاضر براي مهندسان طراح مي­ تواند بسيار سودمند باشد.

In the present research, height and velocity of shock waves in contractions of open-channel with trapezoidal and rectangular sections was investigated using experimental models. For this purpose, length of transition (0.5m), convergence ratio (1/2, 1/3 and 1/4) and side slope angle (45o, 60o, 70o and 90o) were considered as geometric variables of the experiments. Also 4 Froude number was assumed as a hydraulic variable of the experiments in the range of 3.25-9.23. Analysis of Free surface & velocity profiles of shock waves showed that in general, the increasing of side slope angle of the transition wall, reduction of convergence ratio, and increasing of Froude number have a direct relationship with the increasing height and velocity of shock waves. The results showed that in the contraction with trapezoidal section with the convergence ratio (1/2) and side slope angle (45o, 60o and 70o) compared with rectangular cross-section, on average maximum height of shock waves respectively decreased to: 59.34, 44.27 and 24.04. In the same condition the maximum velocity of shock waves respectively decreased to: 37.51, 25.23 and 14.67. As Executive channels mainly with a trapezoidal cross-section are building and operating, so the findings of this study can be very useful for design engineers.