مطالعه آزمايشگاهي اثر تمايل بلوك‌ها بر مشخصات پرش هيدروليكي در حوضچه آرامش تيپ سه USBR

Experimental investigation of the effects of block inclinations on the hydraulic jump characteristics in the stilling basin (USBR III)

سابقه و هدف: يكي از روش‌هاي متداول براي استهلاك انرژي جنبشي جريان در پايين‌دست سازه‌هاي آبي در حوضچه‌هاي آرامش پرش هيدروليكي مي‌باشد. پارامترهايي چون طول پرش، نسبت عمق ثانويه به عمق اوليه و ميزان افت انرژي از جمله پارامترهاي مهمي هستند كه بر اقتصادي‌كردن سازه حوضچه آرامش تاثير فراواني دارند. از نظر تاريخي، نخستين بار پرش هيدروليكي توسط بيدون در سال 1818 مورد بررسي قرار گرفت. از آن زمان تاكنون، پژوهشگران زيادي با به‌كارگيري زبري‌هاي مكعبي، لوزي و ذوزنقه‌اي شكل، بلوك‌هاي داراي انحنا در وجه بالادست و بلوك‌هاي بدون انحنا، بستر موجدار سينوسي، نوارهايي با مقطع ذوزنقه‌اي، ديوارهاي ممتد و زبري‌هاي نواري مستطيلي خصوصيات اين پديده را مطالعه كرده‌اند. با اين وجود، علي‌رغم گذشت دو قرن از شروع مطالعات در مورد پرش هيدروليكي، هنوز مسايل ناشناخته‌اي در مورد آن وجود دارد كه پژوهشگران را براي ادامه پژوهش ترغيب مي‌نمايد. هدف از اين پژوهش بررسي تاثير تغيير زاويه بلوك‌هاي مياني در حوضچه آرامش ??? USBR بر مشخصه‌هاي پرش است. مواد و روش‌ها: آزمايش‌هاي اين پژوهش در كانال آزمايشگاهي با ديواره‌هاي شفاف و بستر صاف با مقطع مستطيلي به عرض يك متر، عمق 85 سانتي‌متر و طول 15 متر صورت گرفت. مدل شامل مخزن تامين آب، دريچه كشويي لبه تيز با بازشدگي ثابت 3 سانتي‌متر و يك دريچه پروانه‌اي در انتهاي پايين‌دست كانال براي تنظيم عمق پاياب و فلومتر براي اندزه‌گيري دبي جريان است. بخشي از ابتداي كانال كه بلافاصله بعد از دريچه مخزن قرار دارد، به‌عنوان حوضچه آرامش در نظر گرفته شده، سپس بلوك‌هاي مياني و آبپايه انتهايي بر مبناي ابعاد استاندارد حوضچه آرامش ??? USBR داخل كانال نصب گرديد. در اين مطالعه بلوك‌هاي مياني در دو وضعيت واگرا و همگرا نسبت به محور مركزي كانال قرار داده شد و در هر وضعيت 8 زاويه استقرار 10، 20، 30، 40، 50، 60، 70 و 80 درجه براي بلوك‌ها در نظر گرفته شد. پس از برقراري دبي مورد نظر، دريچه انتهايي فلوم براي تشكيل پرش غيرمستغرق با پنجه قرار گرفته در ابتداي فلوم در زير دريچه بالادست تنظيم گرديد و مقادير دبي جريان، طول پرش، عمق آب اوليه و ثانويه پرش اندازه‌گيري و عكس‌برداري متوالي از پروفيل پرش انجام شد. دامنه تغييرات مقادير دبي و عدد فرود از 39 تا 7/81 و 44/4 تا 56/8 بود. در مجموع 180 آزمايش براي پرش‌هاي كلاسيك، تيپ سه استاندارد و وضعيت‌هاي واگرا و همگرا انجام شد. يافته‌ها: در وضعيت همگرا با افزايش زاويه استقرار بلوك‌ها تا 30 درجه، طول پرش به مقدار قابل‌ملاحظه‌اي كاهش مي‌يابد و با افزايش بيش‌تر زاويه بلوك‌ها، جبهه پرش از ديواره‌هاي قايم كانال جدا شده و به‌سمت خط مركزي كانال منحرف شده و نهايتاً طول پرش افزايش مي‌يابد. نتيجه‌گيري: نتايج نشان مي‌دهند كه افزايش زاويه استقرار بلوك‌ها تا 30 درجه در حالت همگرا باعث كاهش طول پرش به‌ميزان متوسط 40 درصد و كاهش نسبت عمق ثانويه به‌ميزان 10 درصد مي‌گردد و افت انرژي نسبي را به 75 درصد مي‌رساند. ميزان اين تغييرات در زاويه همگرايي بلوك 30 درجه با افزايش عدد فرود، براي افت انرژي نسبي و طول نسبي پرش افزايش و براي نسبت عمق ثانويه كاهش مي‌يابد. علت اصلي كاهش طول پرش به‌علت تشديد جريان‌هاي ثانويه ناشي از تمايل بلوك‌ها در زاويه 30 درجه است. همچنين در وضعيت واگرا براي همه زواياي استقرار بلوك‌ها افزايش طول پرش مشاهده گرديد.

Background and Objectives: Hydraulic jump is one of the common methods for dissipation of the kinetic energy of the flow in downstream of the hydraulic structures in stilling basins. Length of the stilling basin, depth ratio and the energy loss are some of the important parameters that should be taken into account for designing an economically efficient structure. Historically, Bidone was the pioneer to conduct investigations on the hydraulic jump in 1818. There after characteristics of this phenomenon have been investigated by many researches using cubic, rhombus and trapezoidal baffle blocks with and without curved upstream edges, sinusoidal bed, trapezoidal corrugation, sills and rectangular corrugations. Despite of the comprehensive researches performed during the last two centuries, there are still unknown issues that warrant more research on this subject. The purpose of this research is investigation of the effects of block inclinations on the hydraulic jump characteristics in the stilling basin USBR III. Materials and Methods: Experiments were conducted in a flume with glass walls and smooth bed with a rectangular cross section 1m wide, 85 cm deep and 15m long. The model consisted of a head tank, a slice gate with constant opening of 3 cm and a tail gate to obtain various flow depth and a flowmeter to measure the discharge. Part of beginning of flume immediately after the gate of the head tank, was used as stilling basin and baffle blocks and end sill were installed according to the criterion of a type ??? USBR stilling basin. In this study, baffle blocks were installed in two cases of diverge and converge position relative to the central axis of the flume and in each position 8 placement angle of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 and 80 degrees were considered for blocks. For each flow discharge, the tailgate was adjusted to establish a non-submerged hydraulic jump so that toe of the jump was formed at the beginning of the flume under upstream gate, then the length of jump, initial and secondary flow depth were measured and burst photos were taken from profile of the jump. Froude numbers and discharges ranged from 4.44 to 8.56 and 39 to 81.7 l/s respectively. In total, 180 tests were carried out for classic, USBR??? and diverge and converge position jumps. Results: In diverge position, increase in the placement angle of blocks up to 30° on convergent position caused significant decrease in jump length and further increase in placement angle resulted in separation of jump front from walls of flume and inclination to the central axis of flume and in turn increase of jump length. Also in diverge position, for all placement angles of blocks increase in jump lengths were observed. Conclusion: The results showed that, increase in the placement angle of blocks up to 30° on convergent position caused 40 percent decrease in jump length and 10 percent decrease in depth ratio and also increase in relative energy loss to 75 percent. It is believed that the main reason of decreasing the jump length was raising the rate of secondary flows due to inclination of blocks in angle of 30 degrees.