مطالعه آزمایشگاهی جریان فوق بحرانی در تبدیل های همگرا با مقاطع ذوزنقه ای و مستطیلی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای سازه های، گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استاد، گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

4 استاد، گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

5 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

وجود هرگونه تغییر هندسی مانند تبدیل در مسیر کانال­های با جریان فوق بحرانی، موجب تغییر ناگهانی عمق و سرعت جریان و تشکیل امواج ضربه­ ای می­ شود. در این تحقیق، ارتفاع و سرعت امواج ضربه­ای در تبدیل­های همگرای کانال روباز با مقاطع ذوزنقه ­ای و مستطیلی با به­کارگیری مدل­های آزمایشگاهی بررسی شد. زاویۀ شیب جانبی دیواره­ها 45، 60، 70 و 90 درجه و نسبت همگرایی 1 به 2، 1 به 3 و 1 به 4 به­عنوان متغیرهای هندسی و همچنین چهار عدد فرود مختلف در محدوده 23/9-25/3 به ­عنوان متغیر هیدرولیکی آزمایش­ها در نظر گرفته شد. تحلیل پروفیل­های سرعت و سطح آزاد امواج ضربه ­ای نشان می‌دهد که در حالت کلی، افزایش زاویۀ شیب جانبی دیوارۀ تبدیل، کاهش نسبت همگرایی و افزایش عدد فرود جریان رابطه­ ای مستقیم دارد با افزایش ارتفاع و سرعت امواج. نتایج تحقیق همچنین نشان می‌دهد که بیشینۀ ارتفاع امواج ضربه­ای در تبدیل­های همگرا با مقاطع ذوزنقه­ ای، به ­ازای نسبت همگرایی 1 به 2 و زاویه­ های شیب جانبی 45، 60 و 70 درجه، در مقایسه با مقطع مستطیلی، به­ طور میانگین به ­ترتیب به­ میزان 34/59، 27/44 و 04/24 درصد کاهش می‌یابد. همچنین، بیشینۀ سرعت امواج ضربه­ای به­ازای شرایط مذکور به­ترتیب به­میزان 51/37، 23/25 و 67/14 درصد کاهش می‌یابد. نظر به اینکه کانال­های اجرایی عمدتاً با مقطع ذوزنقه­ای ساخته می­ شوند، یافته­ های پژوهش حاضر برای مهندسان طراح می­ تواند بسیار سودمند باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Supercritical Flows in Open-Channels Contraction with Trapezoidal and Rectangular Sections

نویسندگان [English]

  • Farinaz Shoja Talatapeh 1
  • Davood Farsadizadeh 2
  • Ali Hosseinzadeh Dalir 3
  • Javad Behmanesh 4
  • Mohammad Reza Nikpour 5
1 Departrment of water engineering, University of Tabriz, Tabriz
2 Professor, Department of Water Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Professor, Department of Water engineering, University of Tabriz
4 Professor, Department of Water engineering, University of Urmia
5 Assistant Professor, Department of Water Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil
چکیده [English]

In the present research, height and velocity of shock waves in contractions of open-channel with trapezoidal and rectangular sections was investigated using experimental models. For this purpose, length of transition (0.5m), convergence ratio (1/2, 1/3 and 1/4) and side slope angle (45o, 60o, 70o and 90o) were considered as geometric variables of the experiments. Also 4 Froude number was assumed as a hydraulic variable of the experiments in the range of 3.25-9.23. Analysis of Free surface & velocity profiles of shock waves showed that in general, the increasing of side slope angle of the transition wall, reduction of convergence ratio, and increasing of Froude number have a direct relationship with the increasing height and velocity of shock waves. The results showed that in the contraction with trapezoidal section with the convergence ratio (1/2) and side slope angle (45o, 60o and 70o) compared with rectangular cross-section, on average maximum height of shock waves respectively decreased to: 59.34, 44.27 and 24.04. In the same condition the maximum velocity of shock waves respectively decreased to: 37.51, 25.23 and 14.67. As Executive channels mainly with a trapezoidal cross-section are building and operating, so the findings of this study can be very useful for design engineers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Contraction
  • Convergence Ratio
  • Shock Waves
  • Side Slope Angle
Beltrami, G. M., Del Guzzo, A. and Repetto, R. 2007. A simple method to regularize supercritical flow profiles in bends. J. Hydraul. Res. 45(6): 773-786.

 

Causon, D. M., Mingham, C. G. and Ingram, D. M. 1999. Advances in calculation methods for supercritical flow in spillway channels. J. Hydraul. Eng. 125(10): 1039-1050.

 

Ghostine, R., Hoteit, I., Vazquezc, J., Terfousd, A., Ghenaime, A. and Mosef, R. 2014. Comparison between a coupled 1D-2D model and a fully 2D model for supercritical flow simulation in crossroads. J. Hydraul. Res. 53(2): 274-281.

 

Jafarzadeh, M. R. and Alamatian, A. 2009. Investigation of turbulence models in simulation of shock waves in channels with supercritical flows. Proceedings of the 8th Hydraulic Conference of Iran. Nov. 17-19. Tehran, Iran. (in Persian)

 

Jafarzadeh, M. R. Shamkhalchian, A. and Jomehzadeh, M. 2012. Supercritical flow profile improvement by means of a convex corner at a bend inlet. J. Hydraul. Res. 50(6): 623-630.

 

 

Jan, C. D., Chang, C. J., Lai, J. S. and Guo, W. D. 2009. Characteristics of hydraulic shock waves in an inclined chute contraction-experiments J. Mech. 25(2): 129-136.

 

Kolarević, M., Savić, L., Kapor, R. and Mladenović, N. 2013. Supercritical flow in circular pipe bends. FME. Trans. 42(2): 128-133.

 

Krüger, S. and Rutschmann, P. 2006. 3D modeling supercritical flow with extended shallow-water approach. J. Hydraul. Eng. 132(9): 916-926.

 

Montazeri-Namin, M., Ghazanfari-Hashemi, R. and Ghaeini-Hessaroeyeh, M. 3D numerical simulation of supercritical flow in bends of channel. International Conference on Mechanical Automotive and Materials Engineering. Jan. 7-8. Dubai United Arab Emarates.

 

Nikpour, M. R. 2013. Experimental and numerical investigation of supercritical flows in open-channels contraction. Ph. D Thesis. Faculty of Agriculture, Tabriz University, Tabriz, Iran. (in Persian)

 

Reinauer, R. and Hager, W.H. 1997. Supercritical bend flow. J. Hydraul. Eng. 123(3): 208-218.

 

Shamkhalchian, A., Jomehzadeh, M. and Jafarzadeh, M. 2010. Inhibition of shock waves of supercritical flow in curved with obstacles. International conference of Civil Eng. May. 14-16. University of Firdausi, Mashhad, Iran. (in Persian)

 

Ya-kun, L. and Han-gen, N. 2008. Abrupt deflected supercritical water flow in slopped channels. J. Hydrodynamics. 20(3): 293-298.