مطالعه آزمايشگاهي جريان هوا در شفت ريزشي گردابي با استفاده از روش فاكتوريل كامل

Experimental Study of Air Flow in a Vortex Structure Using Full Factorial Method

شفت‌ ريزشي گردابي (سازه ورتكس) در سيستم‌هاي جمع‌آوري فاضلاب و زهكشي شهري به‌منظور انتقال سيال از مجاري سطحي به تونل‌هاي زيرزميني عميق به‌كار مي‌رود. در طول ريزش، مقدار زيادي هوا به داخل آب نفوذ مي‌كند و در پايين‌دست شفت ريزشي آزاد مي‌شود. در اين پژوهش، با ساخت مدل فيزيكي سازه از قطعات پلكسي‌گلاس، جريان هوا در سازه مطالعه شد. با استفاده از آناليز ابعادي نشان داده شد كه عدد فرود جريان (Fr)، نسبت ارتفاع كل ريزش به قطر شفت (L/D) و نسبت عمق چاهك به قطر شفت (Hs/D)، عوامل مؤثر بر دبي نسبي هوا (b=Qa/Q) در سازه هستند. دقت و توانايي روش فاكتوريل كامل براي توصيف عملكرد سازه در ميزان هواي خروجي از آن با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي تأييد شد. نتايج نشان داد كه دبي نسبي هوا در سازه بين 048/0 تا 278/0 تغيير مي‌كند و با افزايش عواملFr ، L/D و Hs/D افزايش مي‌يابد. همچنين با توجه به اين كه بيشترين سرعت خروج هوا از سازه مربوط به لوله‌هاي هواگيري (با قطر يكسان Da) است كه در فاصله بين Da4 تا Da9 از محور شفت قائم قرار دارند، لذا محل مناسب استقرار مجراي هواگيري براي سازه در اين محدوده تعيين شد. علاوه بر اين معادله‌اي غير خطي به‌ صورت تابعي از Fr، L/D و Hs/D براي تخمين دبي نسبي هوا در سازه ورتكس با استفاده از آناليز رگرسيون ارائه شد.

Vortex drop shaft (Vortex structure) is used in sewage and drainage systems to transfer fluid from surface conduit to deep underground tunnels. During the plunge, large volume of air is entrained into the water and then released of the drop shaft downstream. In the current research, an experimental model, made of Plexiglas segments, was set up to investigate hydraulic performance of vortex structure. Dimensional analysis results illustrated that ratio of sump depth to shaft diameter (Hs/D), ratio of drop total height to shaft diameter (L/D), and Froude number (Fr) were considered effective variables on relative air discharge (β=Qa/Q). The ability of the full factorial method (FFM), to describe this structure’s hydraulic characteristics, was validated using experimental data. The results indicated that the relative air discharge changed from 0.048 to 0.278 and increased with an increase in Fr, L/D and Hs/D factors. With respect to the maximum velocity of air outflow from the structure of the air vent pipes (with the same diameter Da), located between the 4Da and 9Da from the axis of the vertical shaft, this range is recommended for installation of air vent pipes. Furthermore, a regression-based-equation in the form of a quadratic polynomial as a function of Hs/D, L/D and Fr was proposed to estimate relative air discharge (β).