مهسا فولادگر

مدل‌‌سازی عددی و آزمایشگاهی پرش هیدرولیکی کنترل­ شده در بالادست آب­ پایه

چکیده

رژیم جریان در پایین‌‌دست برخی از سازه‌‌های هیدرولیکی فوق‌‌بحرانی است که این امر سبب تخریب و فرسایش سازه‌‌های پایین‌‌دست می‌‌شود. باتوجه به‌استهلاک مقدار قابل ملاحظه‌ای از انرژی جریان توسط پرش هیدرولیکی، از این پدیده جهت کاهش فرسایش در پایین‌دست سازه‌‌های هیدرولیکی استفاده می‌‌شود. برای اطمینان از تشکیل پرش و کنترل محل تشکیل آن می‌‌‌بایست از سازه‌‌‌های کنترل‌‌‌کننده‌ی پرش هیدرولیکی استفاده گردد. از جمله این سازه‌‌‌ها می‌‌‌توان به آب‌‌پایه، بالاآمدگی و پایین­ افتادگی ناگهانی اشاره كرد.

هدف از این مطالعه بررسی شرایط تشکیل پرش در بالادست آب‌‌پایه (سرریز لبه‌‌تیز و سرریز لبه‌‌پهن) در کانال افقی به‌‌صورت عددی و آزمایشگاهی است. مدل‌‌سازی عددی با استفاده از نرم‌‌افزار OpenFOAM و روش حجم سیال (VOF) انجام شده است. در مدل عددی، آب‌‌پایه‌‌‌‌هایی به ارتفاع 02/0 الی 11/0 متر و طول‌‌های 02/0 الی 3/0 متر در فواصل 56/0 الی 45/2 متر نسبت به مقطع ورودی درنظر گرفته شده است. جریان‌‌های فوق‌‌بحرانی بالادست با اعداد فرود 2/3، 8/4 و 4/6 تشکیل شده است. برای صحت‌‌سنجی مدل عددی، مشخصات جریان بالادست آب‌‌پایه در دوحالت تشکیل و عدم تشکیل پرش بررسی شده است. برای حالت عدم تشکیل پرش توزیع فشار در وجه بالادست آب‌‌پایه با نتایج آزمایشگاهی محققین پیشین مقایسه شده است. در حالت تشکیل پرش، مشخصات هیدرولیکی پرش تشکیل‌‌شده با روابط تجربی پیشین مقایسه شده است. به‌‌منظور مقایسه‌‌ی مدل عددی با شرایط واقعی و بررسی اعتبار مدل از نقطه‌‌نظر فاصله‌‌ی شروع و عمق اولیه‌‌ی پرش هیدرولیکی، نمونه‌‌ی آزمایشگاهی مدل ساخته شده است. برای تشکیل جریان فوق‌بحرانی در بالادست مدل آزمایشگاهی از دیواره‌‌ی آویزان و آب‌‌پایه‑ای به ارتفاع 42/0 و طول 02/0 متر در فاصله 6/1 متری از دیواره‌‌ی آویزان تشکیل شده است.

نتایج شبیه‌‌سازی عددی نشان داد که پارامتر‌‌های طول، ارتفاع و فاصله‌‌ی آب‌‌پایه تا مقطع ورودی جریان بر شرایط تشکیل پرش هیدرولیکی تأثیر‌‌گذار هستند. در‌‌صورت کاهش ارتفاع نسبی آب‌‌پایه (در یک فاصله‌‌ی ثابت)، امکان حذف پرش هیدرولیکی و عبور جریان به‌‌صورت جت وجود دارد. حداقل ارتفاع نسبی آب‌‌پایه (ارتفاع آب پایه/عمق ورودی) برای تشکیل پرش با افزایش عدد فرود ورودی جریان افزایش می‌‌یابد. با افزایش فاصله‌ی نسبی آب‌پایه (فاصله‌ی آب‌پایه/عمق ورودی)، حداقل ارتفاع نسبی آب‌پایه کاهش می‌‌یابد. در یک فاصله‌‌ی نسبی ثابت، تغییرات حداقل ارتفاع آب‌‌پایه نسبت به طول آن به‌‌صورت سهمی است. برای آب‌‌پایه با طول‌‌نسبی (طول آب پایه/عمق بحرانی) 2/0 تا 7/2، حداقل ارتفاع نسبی به منظور تشکیل پرش هیدرولیکی افزایش می‌‌یابد. اگر ارتفاع  نسبی آب‌‌پایه در یک فاصله‌‌ی نسبی ثابت از مقطع ورودی بیش از اندازه افزایش یابد، پرش هیدرولیکی مستغرق می‌‌گردد. حداکثر ارتفاع نسبی مجاز آب‌‌پایه به‌منظور جلوگیری از استغراق پرش هیدرولیکی در یک فاصله‌‌ی نسبی ثابت، با افزایش عدد فرود ورودی جریان افزایش می‌‌یابد. این ارتفاع با قرار گیری آب‌‌پایه در فواصل نسبی کمتر، کاهش می‌‌یابد.