بررسي آزمايشگاهي اثر زبري جداره‌ي نهر مستطيلي بر فراسنج هاي هيدروليكي جريان در قوس 90 درجه با نسبت شعاع به عرض2

An Experimental Study of the Effect of a Small-Scale Rectangular Canal’s Wall Roughness on the Flow Patterns in a 90° Sharp Bend with a Radius of Curvature to the Bottom Width Ratio of 2

مطالعه‌ي حاضر به منظور بررسي اثر زبري جداره‌ي نهر مستطيلي بر فراسنجهاي هيدروليكي جريان در قوس 90 درجه تند با نسبت شعاع انحناي خط مركزي به عرض 2 انجام شد. آزمايشها به ازاي سه زبري جداره‌ي 5/0، 2 و5 ميلي متر در عدد فرود ثابت 17/0 انجام گرفت. در هر آزمايش، و در طول قوس، مولفه‌هاي سه بعدي سرعت جريان با استفاده از سرعت‌سنج JFE ALEC در 480 نقطه اندازه‌گيري شد. ترسيم بردارهاي سرعت و الگوي جريان با استفاده از نرم‌افزارهاي Surfer و Ttecplot انجام گرفت. نتايج نشان دادند كه در لايه‌ي نزديك سطح آب، خطوط جريان به سمت جداره‌ي بيروني، و در لايه‌ي نزديك كف، خطوط جريان به سوي جداره‌ي داخلي كشيده شده‌اند، كه با افزايش زبري جداره، انحراف خطوط جريان افزايش يافته است. ناحيه‌ي پر سرعت در محدوده‌ي 30 تا 60 درجه بيشتر به سمت جداره‌ي داخلي، و در امتداد عمق توزيع شده است، كه از موقعيت 60 درجه به بعد به سمت جداره‌ي خارجي كشيده مي‌شود. هسته‌ي اصلي جريان ثانويه نزديك جداره‌ي داخلي ديده شد كه به ازاي هر سه زبري جداره در ناحيه‌ي 60 درجه‌ي قوس شكل گرفت. افزايش زبري باعث به تاخير افتادن استهلاك هسته‌ي جريان ثانويه در انتهاي قوس گرديده است. افزايش زبري جداره باعث افزايش تنش برشي بستر در نواحي پر تنش شده است. همچنين، محدوده‌ي 70 تا 80 درجه‌ي قوس به عنوان ناحيه‌ي با بيشترين قدرت جريان ثانويه تعيين گرديد. در يك مقطع عرضي، با افزايش زبري جداره‌ي نهر، قدرت جريان ثانويه كاهش يافته است.

The wetted perimeter’s roughness, the radius of curvature and its ratio to the bottom width affect the flow velocity and its patterns. This laboratory study was conducted in a 90° sharp bend flume with a rectangular cross-sectional area, and the radius of curvature to the bottom with ratio of 2. The experiments were conducted under a constant Froude No. of 0.17 with 3 wall roughnesses of 0.5, 2.0 and 5.0 mm. The three components of the flow velocity were measured at 480 points. The flow lines in the high velocity zone of 30° to 60° were mostly deflected towards the inner wall and along the channel depth. However, they gradually turned towards the outer wall where the deflection angle exceeded 60°. Further, the main rotational cell of the secondary flow was formed close to the inner wall at all 3 roughnesses at the 60° alignment of the bend. An increase in the wall roughness delayed the decay of the rotational cell at the bend’s termination. It was also observed that the bed shear stress was increased in the highly stressed area with an increase in the wall roughness. The area delimited by the 70° and 80° was singled out showing the highest shear stress. Moreover, it was established that the secondary flow strength at any cross sectional area decreased with an increased in the wall roughness.