مطالعه عددی افت انرژی و طول پرش هیدرولیکی نوع S‌ در استفاده از بیم‌های متقاطع بعنوان زبری در بازشدگی ناگهانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

2 گروه سازه های آبی، دانشکده آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

3 گروه سازه های آبی، دانشکد ه مهندسی آب و محیط زیست، دانشگا ه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

چکیده

هدف: باتوجه‌به اهمیت حوضچه‌های آرامش و پرهزینه و زمان بر بودن مدل‌های آزمایشگاهی، به‌کارگیری مدل‌های عددی جهت شبیه‌سازی پدیده در موقعیت‌های مختلف و کاهش هزینه و زمان تأثیر زیادی دارند؛ بنابراین در این تحقیق شبیه‌سازی عددی پرش هیدرولیکی نامتقارن در مقاطع واگرای ناگهانی و تأثیر به‌کارگیری سیستم بیم‌های متقاطع در پایداری پرش به‌صورت سه‌بعدی با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D انجام شده است.
 
 روش پژوهش: در این تحقیق پرش هیدرولیکی در کانال مستطیلی با مقطع واگرای ناگهانی با نسبت واگرایی (B=b1/b2=0.67) و به‌کارگیری سیستم بیم­های متقاطع به­عنوان زبری جهت کنترل پرش هیدرولیکی نامتقارن نوع S که با ایجاد ضربه‌های مواج موجب فرسایش کف و دیواره فلوم می‌گردد و با مدل‌سازی با نرم­افزار Flow-3D به­صورت سه­بعدی شبیه­سازی گردید. مشخصات پرش هیدرولیکی با بررسی سرعت درکف و تعیین سه ترکیب­بندی­ مختلف از سیستم بیم­های متقاطع با متغیرهایی شامل فاصله سیستم بیم­ها از مقطع واگرا، زاویه سیستم بیم­ها با کف کانال، تعداد و ضخامت بیم­ها در درصدهای مختلف عمق پایاب مرجع مورد بررسی قرار گرفت.
 
 یافته‌ها: نتایج حاصل از شبیه­سازی­های عددی با تأیید نتایج آزمایشگاهی نشان داد که به‌کارگیری سیستم زبری کف با استفاده از بیم‌های متقاطع در تعداد و زوایای مختلف و پس از دریافت بهینه ترکیب‌بندی با استفاده از روابط ضرایب سرعت، در همه عمق‌های پایاب مورد آزمایش، باعث پایداری و حذف موج‌های نامتقارن و جریان برگشتی در پرش نامتقارن نوع S می‌گردد. همچنین با استفاده از سیستم زبری با بیم‌های متقاطع، بیشترین افت نسبی انرژی در مقاطع و عمق‌های پایاب مختلف مورد آزمایش برای ترکیب‌بندی ۱، ۲ و ۳ به ترتیب برابر با ۰۶/۳۶، ۶۷/۷۴ و ۶/۷۸ درصد محاسبه گردید. در بررسی پروفیل سطح آب در سه ترکیب‌بندی بیم‌های متقاطع، ترکیب‌بندی ۱ (C1) روند منظم‌تری در توزیع عمق جریان در مقطع عرضی کانال و در مقاطع ۳/۰ تا ۲ متر از انتهای سیستم سازه‌ای دارد. در بررسی خروجی از شبیه‌سازی مدل برای بار آبی کل (THH) و نقطه انتهای استهلاک انرژی یا پرش هیدرولیکی (j * Γ) در ترکیب‌بندی C1،  این نقطه بعد از بیم سوم (N=5) تشخیص داده شد که جریان پس از عبور از رو و زیر آن با خطوط متمرکزی امتدادیافته است.
 
 نتیجه‌گیری: بر اساس شاخص بار آبی کل و کنترل استهلاک انرژی، شرایط ترکیب‌بندی C1 قابلیت کنترل استهلاک درون سیستم سازه و قبل از خروج جریان از سیستم سازه زبری با بیم‌های متقاطع را در شرایط مطلوب‌تری داراست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


احدیان، جواد.، حکمی، مسعود.، شفاعی بجستان، محمود.، و سجادی سید محسن. (1403). بررسی آزمایشگاهی تأثیر جت مستغرق در بستر موج‌دار با مقطع واگرای تدریجی بر خصوصیات پرش هیدرولیکی نامتقارن. نشریه مهندسی عمران مدرس، ۲۴(۱)، 160-۱51http://mcej.modares.ac.ir/article-16-70953-fa.html.
احدیان، جواد.، و ورشوساز، امین. (1397). مدل‌سازی فیزیکی تأثیر طول مهارهای انعطاف‌پذیر موانع شناور کروی بر خصوصیات پرش هیدرولیکی. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، 25(۱)، 308-297.                                      https://www.doi.org/10.22069/jwsc.2018.12965.2762
تقی نیا، آیرین.، اصفری پری، سید امین.، شفاعی بجستان، محمود.، و احمدیان فر، ایمان. (۱۴۰۰). تأثیراستهلاک انرژی ناشی از جت آب خروجی ازکف و انتهای حوضچه آرامش بر طول پرش هیدرولیکی.  نشریه هیدرولیک، 16(3)، 28-17. https://doi.org/10.30482/jhyd.2021.268704.1504
حاجی علی گل، سعید. (۱۴۰۱). تأثیر زاویه قرارگیری و تعداد تیرکهای افقی بر خصوصیات پرش هیدرولیکی در حوضچه‌های آرامش با مقطع واگرای ناگهانی. پایان نامه دکتری سازه‌های آبی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.
خدری میرقاید، پوریا.، احدیان، جواد.، و ورشوساز، امین. (1397). بررسی اثر بلوک‌های معلق کروی مهاری نوع جدید بر خصوصیات پرش هیدرولیکی. مجله مهندسی عمران مدرس، 18(5)، 70-61.                                                   http://mcej.modares.ac.ir/article-16-12907-fa.html
عادلی، عاطفه.، احدیان، جواد.، قمشی، مهدی.، و فتحی مقدم، منوچهر. (1400). بررسی آزمایشگاهی جریان دوفازی آب‌ـ هوا در پرش هیدرولیکی تحت تأثیر پوشش گیاهی انعطاف ‏ناپذیر. مجله اکوهیدرولوژی، 8(3)، 775-763.
 https://doi.org/10.22059/ije.2021.327831.1528
نیسی، کبری. (۱۳۹۲). تعیین اثر زبری بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه‌های آرامش با واگرایی ناگهانی. پایان نامه دکتری سازه‌های آبی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.
محجوبی، افشین.، احدیان، جواد.، سجادی، سید محسن.، و کاشفی پور، سیدمحمود. (1403). کنترل پرش هیدرولیکی نامتقارن در کانال‌های با مقطع واگرای ناگهانی توسط سیستم جت . مجله تحقیقات آب و خاک ایران، 55(10)، 1920-1903. https://doi. rg/10.22059/ijswr.2024.377718.669725
نوروزی، سحر.، و احدیان، جواد. (1395). بررسی تأثیر تیغه‌های گرداب‌شکن 45 درجه برضریب تخلیه سرریز نیلوفری با استفاده از مدل FLOW-3D . نشریه علوم و مهندسی آبیاری، 40(1)، 200-191.                                                  https://doi.org/10.22055/jise.2017.12677
هوشیاری­پور فرهاد.، دهقان، مصطفی.، و مهاجری، سیدحسین. (1398). بررسی تأثیر زاویه واگرایی حوضچه آرامش و موقعیت آب پایه بر خصوصیات پرش هیدرولیکی با مدل‌سازی عددی. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر،51(1)، 85-68. https://doi.org/ 10.22060/ceej.2018.13151.5337
Adeli, A., Ahadiyan, J., Ghomeshi, M., & Fathi Moghadam, M. (2021). Experimental study of two phase Air-water Flow Parameters in Hydraulic Jumps with vegetated Rough Bed. Journal of Ecohydrology8(3), 763-775. https://doi.org/ 10.22059/ije.2021.327831.1528 (In Persian)
Ahadian, J., & Varshosaz, A. (2018). Effect of the Floating Sphere Objects Flexible Bearing Length on the Characteristic of the Hydraulic Jump. Journal of Water and Soil Conservation25(1), 297-308. https://doi.org/10.22069/jwsc.2018.12965.2762 (In Persian)
Ahadiyan, J., Bahmanpouri, F., Adeli, A., Gualtieri, C., & Khoshkonesh, A. (2022). Riprap Effect on Hydraulic Fracturing Process of Cohesive and Non-cohesive Protective Levees. Journal of Water Resources Management, 36, 625–639. https://doi.org/10.1007/s11269-021-03044-6
Ahadiyan, J., Abbasi Chenari, S., Azizi Nadian, H., Katopodis, C., Valipour, M., Sajjadi, S. M., & Omidvarinia, M. (2024). Sustainable systems engineering by CFD modeling of lateral intake flow with flexible gate operations to improve efficient water supply. International Journal of Sediment Research, 39(4), 629-642. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2024.05.003
Ahadiyan, J., Hakami, M., Shafaei Bajestan, M., & Sahadi, S.M. (2024). Laboratory investigation of the Effect of a Submerged Jet in a Wavy Bed with a Gradually Diverging Cross-section on the Characteristics of Asymmetric Hydraulic Jump. Modares Civil Engineering Journal, 24(1), 151-160. http://mcej.modares.ac.ir/article-16-70953-fa.html(In Persian)
Alhamid, A. A. (2004). S-jump characteristics on sloping basins. Journal of Hydraulic Research, 42(6), 657-662.‏ https://doi.org/10.1080/00221686.2004.9628319
Bremen, R., & Hager, W.H. (1993). T-jump in abruptly expanding channel. Journal of Hydraulic Research, 31(1), 61–78. https://doi.org/10.1080/00221689309498860
Bremen, R., Hager, W.H. (1994). Expanding stilling basin. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Maritime and Energy. 106(3), 215-228.‏                                 https://doi.org/10.1680/iwtme.1994.26934
Chow, V. (1959). Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York, USA. https://www.scribd.com/document/684578636/19-Ven-Te-Chow-Open-Channel-Hydraulics-Mcgraw-Hill-College-1959
Chow, V.T. (1989). Hand book of Applied Hydrology. Mc Graw Hill Book Co, New York, USA. https://wecivilengineers.wordpress.com/wp-content/uploads/2017/10/applied-hydrology-ven-te-      chow.pdf
Carollo, F.G., Ferro,V., & Pampalone, V. (2007). Hydraulic jumps on rough beds. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE, 133(9), 989-999. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-                        9429(2007)133:9(989)
Carvalho, R.F., Lemos, C.M., & Ramos, C.M. (2008). Numerical computation of the flow in hydraulic jump stilling basins. Journal of Hydraulic Research, 46(6), 739-752. https://doi.org/10.1080/00221686.2008.9521919
Ead, S. A., & Rajaratnam, N. (2002). Hydraulic jumps on corrugated beds. Journal of Hydraulic engineering, 128(7), 656-663. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2002)128:7(656)
Fathi-Moghadam, M., Salmanzadeh, S., Ahadiyan, J., & Sajadi, M. (2024). Drag Coefficient of Rigid and Flexible Deciduous Trees in Riparian Forests. Journal of Hydraulic Engineering, (ASCE), 150(5), 04024027, 1-10. https://doi.org/10.1061/JHEND8.HYENG-13709
Ghaderi, A., Dasineh, M., Aristodemo, F., & Ghahramanzadeh, A. (2020). Characteristics of free and submerged hydraulic jumps over different macroroughnesses. Journal of Hydroinformatics, 22, 1554–1572. https://doi.org/10.2166/hydro.2020.298
Hager, W. H., & D. Li. (1992). Sill-controlled energy dissipater. J. Hydraul.Res, 30 (2), 165–181. https://doi.org/10.1080/00221689209498932
Haghdoost, M., Sajjadi,S.M., Fathi-Moghadam, M., & Ahadiyan, J. (2022). Experimental study of spatial hydraulic jump stabilization using lateral jet flow. Water Supply,  22 (11), 8337–8352. https://doi.org/10.2166/ws.2022.376
Hajialigol, S., Ahadiyan, J., Sajjadi, M., Rita Scorzini, A., Di Bacco, M., & Shafai Bejestan, M. (2021). Cross beam Dissipators in Abruptly Expanding Channels: Experimental Analysis of Flow Patterns. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 147(11), 06021012.‏ https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001622
Hajialigol, S. (2021). The effect of the placement angle and the number of horizontal beams on the characteristics of the hydraulic jump in stilling ponds with a sudden divergent section. PhD thesis, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran. (In persian)
Hajialigol, S., Ahadiyan, J., Sajjadi, S. M., Hazi, M. A., Chadee, A. A., Nadian, H. A., & Kirby, J. T. (2024). Experimental analysis of turbulence measurements in a new dissipator structural (cross beams) in abruptly expanding channels. Results in Engineering, 21, 101829. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.101829
Hooshyaripor, F., Dehghan, M., & Mohajeri, S. (2019). Numerical Simulation of Effect of Expansion Angle and End-sill Location on the Hydraulic Jump in Gradually Expanding Stilling Basins. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 51(1), 85-98.                     https://doi.org/10.22060/ceej.2018.13151.5337
Hughes, W. C., & Flack, J. E. (1984). Hydraulic jump properties over a rough Bed. Journal of Hydraulic Engineering,  ASCE, 110 (12), 1755-1771. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1984)110:12(1755)
Khedri Mirghaed, P., Ahadiyan, J., & Varshosaz, A. (2018). Effect of Suspended Anchored Spherical Energy Dissipator Blocks on Hydraulic Jump Characteristics. Modares Civil Engineering Journal, 18 (5) ,61-70. http://mcej.modares.ac.ir/article-16-12907-fa.html (In Persian)
Ma, F., Hou, Y., & Prinos, P. (2001). Numerical calculation of submerged hydraulic jumps. Journal of hydraulic research, 39(5), 493-503.‏                                         https://doi.org/10.1080/00221686.2001.9628274
Mahjoubi, A., Ahadiyan, J., Sajjadi, S.M., & Kashefipour, S.M. (2024). Asymmetric hydraulic jump control in sudden expansion channels using a Jet system. Iranian Journal of Soil and Water Research55(10), 1903-1920. https://doi.org/10.22059/ijswr.2024.377718.66972(In Persian)
Nisi, K. (2013). Determining the effect of roughness on hydraulic jump characteristics in stilling basins with sudden divergence. PhD thesis in hydraulic structures, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran. (In Persian)
Nouroozi, S., & ahadiyan, J. (2017). Effect of Vortex Breaker Blades 45 Degree on Discharge Coefficient of Morning Glory Spillway Using Flow-3D. Irrigation Sciences and Engineering Journal, 40(1), 191-200. https://doi.org/10.22055/jise.2017.12677 (In Persian)
Ohtsu, I., Yasuda, Y., & Yamanaka, Y. (1991). Drag on vertical sill of forced jump. Journal of Hydraulic Research, 29(1), 29-47. https://doi.org/10.1080/00221689109498991
Passandideh-Fard, M., Teymourtash, A. R., & Khavari, M. (2011). Numerical study of circular hydraulic jump using volume-of-fluid method. Journal of Fluids Engineering, 133, 011401. https://doi.org/10.1115/1.4003307
Rajaratnam, N., & Subramanya, K. (1968). Hydraulic jumps below abrupt symmetrical expansions. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 94 (2), 481–504.                                                                https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0001780
Sajjadi, S. M., Barihi, S., Ahadiyan, J., Azizi Nadian, H., Valipour, M., Bahmanpouri, F., & Khedri, P. (2024). Redesigning the Fuse Plug, Emergency Spillway, and Flood Warning System: An Application of Flood Management. Water, 16(24), 3694.                                           https://doi.org/10.3390/w16243694
Scorzini, A. R., Di Bacco, M., & Leopardi, M. (2016). Experimental investigation on a system of cross-beams as energy dissipator in abruptly expanding channels. Journal of Hydraulic Engineering. 142(2), 06015018. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001088
Sharoonizadeh, S., Ahadiyan, J., Scorzini, A. R., Di Bacco, M., Sajjadi, M., & Moghadam, M. F. (2021). Experimental Analysis on the Use of Counterflow Jets as a System for the Stabilization of the Spatial HydraulicJump. Water, 13(18), 2572.                             https://doi.org/10.3390/w13182572
Sharoonizadeh, S., Ahadiyan, J., Fathi Moghadam, M., Sajjadi, M., & Di Bacco, M. (2022a). Experimental investigation on the characteristics of hydraulic jump in expanding channels with a water jet injection system. Journal of Hydraulic Structures7(4), 58-75. https://doi.org/ 10.22055/jhs.2022.40233.1203
Sharoonizadeh, S., Ahadiyan, J., Scorzini, A.R., Mario, D. B., Sajjadi, S.M., & Fathi-Moghafdam, M. (2022b). Turbulence characteristics of the flow resulting from the hydrodynamic interaction of multiple counter flow jets in expanding channels. Acta Mech, 233, 3867–3880. https://doi.org/10.1007/s00707-022-03250-2
Taghinia, Iyrin., Asfari-Pari, Seyed Amin., Shafaei-Bajestan, Mahmoud., & Ahmadian-Far, Iman. (1400). The effect of energy dissipation from the water jet exiting from the bottom and end of the stilling pond on the length of the hydraulic jump. Hydraulic Journal, 16(3), 17-28. https://doi.org/10.30482/jhyd.2021.268704.1504 (In Persian)
Tahmasbipour, M., Azizi Nadian, H., Ahadiyan, J., Oliveto, G., Sajjadi, S. M., & Kiyani, A. M. (2023). Experimental Investigation of T-Jump Stabilization Using Water Jets and Sinusoidal Corrugated Beds. Water, 16(23), 3513. https://doi.org/10.3390/w16233513