شرايط جريان موجكي و ضريب دبي جريان در سرريزهاي لبه‌پهن مستطيلي

Undular Flow Conditions and Discharge Coefficients in Rectangular Broad-Crested Weirs

سرريزها يكي از انواع سازه­هاي هيدروليكي هستند كه­ در سيستم ­هاي انتقال آب به منظور اهداف خاصي مانند افزايش عمق جريان در بالادست سازه جهت آب‌گيري و يا اندازه­گيري دبي جريان به كار گرفته مي­شوند. در اين تحقيق به بررسي پارامترهاي هيدروليكي جريان و چگونگي وقوع جريان موجكي در سرريزهاي لبه‌پهن مستطيلي به روش عددي با استفاده از روش حجم محدود (FVM) پرداخته شد و نتايج آن با روش آزمايشگاهي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه محدوده ضريب دبي براي داده­هاي آزمايشگاهي بين 0/321 تا 0/332 است و با استفاده از مدل عددي اين محدوده بين 0/301 الي 0/354 مي­باشد. هم‌چنين مشاهده گرديد كه در صورتي كه عدد فرود جريان در مقطعي كه حداقل عمق در روي تاج (dmin) اتفاق مي ­افتد، كمتر از مقدار 1/5 باشد (1/5>Fr1)، در بالاي تاج سرريز موجك­هايي به فرم سينوسي تشكيل مي­ شود، كه مي­تواند دقت در قرائت اشل را كاهش و باعث ايجاد خطا در برآورد دبي عبوري گردد. براي جلوگيري از وقوع جريان موجكي، عمق جريان نبايد از حد معيني كمتر گردد. در تحقيق حاضر جريان موجكي در شرايطي كه نسبت عمق آب روي تاج سرريز به طول تاج سرريز در جهت جريان بزرگ‌تر از 0/1 باشد (0/1 >H/L)، مشاهده نشد. بنابراين مي­توان گفت برقراري جريان موجكي در سرريزهاي لبه‌پهن طولاني (0/1 >H/L) مستعدتر از سرريزهاي لبه‌پهن حقيقي (0/4 > H/L > 0/1) است. هم‌چنين با استفاده از روش رگرسيوني، رابطه ­اي براي تعيين ضريب دبي سرريزهاي لبه‌پهن حقيقي با دقت مناسب و بالا ارائه شد.

Weirs are common hydraulic structures that can be used in conveyance water canals for increasing the water depth upstream of turnouts or measurement of flow discharge. In this study, the effect of hydraulic parameters and creation conditions of undular flow in the broad-crested weirs were investigated numerically using the finite volume method and the results were evaluated by the experimental method of other researchers. Results indicated that discharge coefficients (Cd) for experimental data are between 0.321-0.332, whereas the Cd for numerical simulation (using ANSYS FLUENT) is between 0.301-0.354. Over the crest where the minimum water depth (dmin) happens, when Fr1 is less than 1.5 (Fr1<1.5), the creation of waves was observed. This type of flow is known as the undular flow. In this situation, measuring water depth over the broad crested weir is not easy and can introduce error for discharge estimation. For preventing of the undular flow, the flow depth cannot be less than a specified value. In this study, this limitation was observed for H/L > 0.1. Thus it can result that long broad-crested weirs (H/L<0.1) are more susceptible than the broad-crested weirs (0.1≤H/L<0.4) in the creation of the undular flows. Additionally, a regression equation for estimation of the Cd in the broad-crested weirs is proposed with reasonable accuracy.