ارزیابی و تحلیل حساسیت معادلات افت اصطکاکی جریان با سطح آزاد درون محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری سازه های آبی، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 استاد گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 دانشیار گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

چکیده

در این تحقیق، درستی معادلات مختلف افت اصطکاکی برای جریان آزاد غیر دارسی در محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای ارزیابی شد که توزیع عمودی فشار در آنها غیر هیدرواستاتیک است. بیشتر معادلات ارائه شده برای جریان غیر دارسی بر اساس نتایج آزمایش‌های صورت گرفته در دستگاه‌های نفوذسنج و برای جریان یک بعدی است در حالی­که به­دلیل افت زیاد انرژی و شیب سطح آب در جریان آزاد درون محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای، انتظار می‌رود جریان دو بعدی و توزیع فشار غیر هیدرواستاتیک باشد. در این مطالعه با آزمایش‌هایی روی یک محیط متخلخل به طول 1 متر و شامل سه نوع سنگریزه با قطرهای متوسط 68/1، 27/2 و 84/4 سانتی‌متر و در دو دمای متفاوت آب به بررسی درستی برآورد مقدار افت انرژی جریان توسط معادلات مختلف جریان غیر دارسی پرداخته شده است. با افزایش دبی و افزایش زاویۀ سطح آب از 6 درجه، اختلاف بین عمق آب و فشار پیزومتری افزایش می‌یابد. همچنین، بر اساس تحلیل آماری، مناسب‌ترین معادلۀ افت اصطکاکی در جریان غیر دارسی با سطح آزاد، معرفی و با تحلیل حساسیت نیز مشخص شد که معادلۀ معرفی شده کمترین حساسیت را نسبت به تغییرات مقادیر ورودی دارد و نیز اینکه تخلخل، سرعت ظاهری جریان، قطر متوسط ذرات و لزوجت سینماتیک به­ترتیب بیشترین تأثیر را بر نتایج دارند.


کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation and Sensitivity Analysis of Head-Loss Equations of Free Surface Flow through Rockfill Porous Media

نویسندگان [English]

  • Amir Gord-Noshahri 1
  • Ebrahim Amiri Tokaldany 2
  • Mohammad Sedghi-Asl 3
1 PhD Candidate of hydraulic structures, Dept. of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture Engineering and Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Full Professor, Dept. of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture Engineering and Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Associate Professor, Dept. of Soil Science, College of Agriculture, Yasouj University, Yasouj, Iran
چکیده [English]

This research was aimed to evaluate the available equations provided for non-Darcy flow in rockfill porous media, when there is a free surface flow, and when vertical pressure distribution is non-hydrostatic. Most of previous investigation about non-Darcy flow performed in permeameter that simulate one dimensional flow in porous media. Because of severe energy loss and considerable difference between upstream and downstream water surface elevations in rockfill porous media, a non-hydrostatic pressure distribution was expected. To carry out the research, a series of laboratory experiments have been conducted on rockfill materials with three differet diameters (1.68, 2.27 and 4.84 cm) and in a medium of 100cm in length, where water temperature varied between 10 and 29 °C. Results indicated that difference between water depth and piezometric pressure increased as water surface and water discharge increased.  Based on statistical analysis of existing experimental data, the most suitable model for energy loss in free surface flow in rockfill materials was introduced. Moreover, it was found that the introduced model had the lowest sensitivity to the variation of the input parameters, and the porosity, apparent velocity, median rockfill diameter and kinematic viscosity, respectively, had highest influence on head-loss results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy Loss
  • Non-Darcy flow
  • Non-Hydrostatic Pressure Distribution
Abt, S. R., Ruff, J. F. and Wittler, R. J. 1991. Estimating flow through riprap. J. Hydraul. Eng. ASCE 117(5): 670-675.

 

Ahmed, N. and Sunada, D. K. 1969. Nonlinear flow in porous media. J. Hydraul. Diy. ASCE.
95(6): 1847-1857.

 

Akbari, G. and Barati, R. 2012. Comprehensive analysis of flooding in unmanaged catchments. Water Manage. 165(WM4): 229-238.

 

Bazargan, J. and Shoaei, S. M. 2010. Analysis of non-Darcy flow in rock fill materials using gradually varied flow method. J. Civil Surv. Eng. 44(2): 131-139. (in Persian)

 

Bear, J. 1972. Dynamics of Fluids in Porous Media. Dover Pub.

 

Engelund, F. 1953. On the laminar and turbulent flows of ground water through homogeneous sand. Akademiet for de tekniske videnskaber, Copenhagen.

 

Ergun, S. 1952. Fluid flow through packed columns. Chem. Eng. Prog. 48, 89-94.

 

Ghazimoradi, A. and Masumi, A. 1997. Investigation of water flow through rockfill media. Proceedings of the 1st Iranian Hydraulic Conference. Sep. 2-4, Tehran, Iran. (in Persian)

 

Gent, M. R. A. 1995. Porous flow through rubble-mound material. J. Waterw. Port. Coast. Ocean Eng. 121(3): 176-181.

 

Hannoura, A. A. and Barends, F. B. J. 1981. Non-Darcy flow; a state of the art. In:  In: Veruijt, A. and Banrends, F. B. J. (Eds). Flow and Transport in Porous Media. Balkema, Ratterdam.

 

Hansen, D. 1992. The behaviour of flow through rockfill dams. Ph. D. Thesis. Department of Civil Engineering. University of Ottawa, Canada.

 

Hansen, D., Garga, V. K. and Townsend, D. R. 1995. Selection and application of a one-dimensional
non-Darcy flow equation for two-dimensional flow through rockfill embankments. Can. Geotech. J. 32(2): 223-232.

 

Herrera, N. M. and Felton, G. K. 1991. Hydraulics of flow through a rockfill dam using sediment-free water. Trans. Am. Soc. Agric. Biol. Eng. 34(3): 871-875.

 

Hill, R. J. and Koch, D. L. 2002. The transition from steady to weakly turbulent flow in a close-packed ordered array of spheres. J. Fluid Mech. 465, 59-97.

 

Jafari, H. 2001. Investigation the flow hydraulics in porous media made of round-edge rockfill river material with the diameter of 10 to 20 cm. M. Sc. Thesis in Water Structures. University of Tarbiat Modarres, Tehran, Iran. (in Persian)

 

Jalal Aldin Korki, M. S. 1997. Hydraulic investigation of flow in rockfill porous media. M.Sc. Thesis in Water Structures. Azad Islamic University of South Tehran, Tehran, Iran. (in Persian)

 

Kadlec, R. H. and Knight, R. L. 1996. Treatment Wetlands. New York.

 

Kovacs, G. 1981. Developments in Water Science-Seepage Hydraulics. Elsevier.

 

Leps, T. M. 1970. Review of shearing strength of rockfill. J. Soil Mech. Found. Div. 96(SM4): 1159-1170.

Li, B. 1995. Flowthrough and overtopped rockfill dams. Ph. D. Thesis. Department of Civil Engineering, University of Ottawa, Canada.

 

Li, B., Garga, V. K. and Davies, M. H. 1998. Relationships for non-Darcy flow in rockfill. J. Hydraul. Eng. ASCE. 124(2): 206-212.

 

McCorquodale, J. A., Hannoura, A. A. A. and Nasser, M. S. 1978. Hydraulic conductivity of rockfill. J. Hydraul. Res. 16(2): 123-137.

 

Moradi-Tayyebi, M., Amiri-Tokaldany, E. 2015. Introducing a relationship to estimate hydraulic gradient in non-Darcy turbulent flow in porous media. J. Water Soil. 29(4): 908-918. (in Persian)

 

Sedghi-Asl, M., Rahimi, H. and Salehi, R. 2014. Non-Darcy Flow of Water through a Packed Column Test. Transport Porous Med. 101(2): 215-227.

 

Sidiropoulou, M. G., Moutsopoulos, K. N. and Tsihrintzis, V. A. 2007. Determination of Forchheimer equation coefficients a and b. Hydrol. Process. 21, 534-554.

 

Stephenson, D. 1979. Rockfill in Hydraulic Engineering. Elsevier Science Pub. New York.

 

Ward, J. C. 1964. Turbulent flow in porous media. J. Hydraul. Div. ASCE. 90(5): 1-12.