بررسی آزمایشگاهی تأثیر انتقال بار بستر بر مقاومت جریان در بسترهای فرسایشی با شیب‌ تند

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی عمران آب ، دانشگاه آزاد اسلامی ،واحد علوم و تحقیقات ،تهران، ایران

2 استادیار گروه مهندسی عمران آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

3 دانشیار پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی،تهران ، ایران

چکیده

تعیینضریباصطکاکدر بسترهای فرسایش‌پذیر اهمیت زیادیدر طراحی کانالهای آبرفتی دارد.در خصوص پارامترهای مؤثر بر ضریب اصطکاک در بسترهای غیر فرسایشی، تاکنون مطالعات گسترده­ای صورت گرفته است. در این تحقیق با اجرای مدل آزمایشگاهی در بسترهای فرسایش‌پذیر، پارامترهای شیب بستر و میزان انتقال بار بستر بر ضریب اصطکاک بستر بررسی شده است. آزمایش‌ها در دبی‌های90/0 تا 75/4 لیتر در ثانیه و شیب‌های 2، 3 و 5 درصد روی بار بستر از ذرات غیر چسبندۀ‌ یکنواخت با دانه‌بندی‌ با قطرهای متوسط 7/1 و 29/3 میلی‌متر اجرا شده و عدد رینولدز برشی در محدودۀ 82 تا 343، عدد فرود حاصل از 93/0 تا 51/1 و دبی بی­بعد انتقال بار بستر در محدودۀ 004/0 تا 311/0 به­دست آمده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد بین شیب سه تا شیب پنج درصد، ضریب اصطکاک بستر و عدد رینولدز برشی به‌صورت قابل ملاحظه‌ای افزایش می­یابد در حالی‌که بین شیب دو تا سه درصد این افزایش چندان قابل توجه نیست. با تحلیل نتایج آزمایشگاهی مشخص شده ­است با افزایش میزان انتقال بار‌‌ بستر، ضریب اصطکاک بدون حرکت بار بستر یا مقاومت اصطکاکی جریان (fc) کاهش و افت اصطکاک ناشی از حرکت بار بستر یا مقاومت حرکت بار بستر (fm) افزایش می‌یابد. به کمک آنالیز ابعادی، پارامترهای تأثیرگذار بر (fm) بررسی گردید و رابطه‌ای تجربی برای تعیین fm  ارائه و با نتایج آزمایشگاهی محققان پیشین صحت­سنجی شد و نتایج قابل قبولی به­دست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Effect of Bed Load Transport on the Flow Resistance in Steep Erodible Beds

نویسندگان [English]

  • Ehsan Hajibabaei 1
  • Seyed Abbas Hosseini 2
  • mojtaba Saneie 3
1 Department of water engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of water engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Soil conservation and watershed management Research Institute, Tehran,Iran
چکیده [English]

Determining the friction coefficient in erodible beds plays an important role in the design of alluvial canals. In most of the previous studies, an impact of the hydraulic parameters on the friction coefficient has been studied for non-erodible bed conditions. In this research, by performing a laboratory model in the erodible substrates, the effects of the bed slope parameters and bed load transfer rate on the bed friction coefficient were investigated. The experiments were carried out in the discharge rate of 0.90 to 4.75 l/s and the slopes of 2, 3 and 5 percent on the uniform non cohesive particles with the grain diameter of 1.7 and 3.29 mm. The roughness Reynolds number was in the range of 82 to 343, Froude numbers of these currents in the range of 0.93 to 1.51, and non-dimensional bed load transport rate was calculated in the range of 0.004-0.311. The experimental results showed that between the slopes of 3% to 5%, the bed friction coefficient and the roughness Reynolds number of the erodible bed increased significantly, while in the slope range of 2% to 3%, no significant increase was observed. Analyzing experimental results showed that by increasing the bed transport rate, the frictional resistance of flow (fc) decreased and subsequently, the bed loading movement resistance (fm) increased. Applying dimensional analysis, the effective parameters on fm were determined and an empirical equation to determine fm was designed and results were validated by laboratory outputs obtained by former researchers. Validation results have been proved acceptable.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bed Friction Coefficient
  • Bed Slope
  • Roughness Reynolds Number

Bahrami-Yarahmadi, M. and Shafai-Bejestan, M. 2010. Experimental study of the effects of channel bed coarse sediments on flow resistance coefficient. Water Soil Sci. 20(1):143-156. (in Persian)+

 

Bergeron, N. E. and Carbonneau, P. 1999. The effect of sediment concentration on bedload roughness. Hydrol.Process. 13, 2583-2589.

 

Best, J., Bennett, S., Bridge, J. and Leeder, M. 1997.T urbulence modulation and particle velocities over flat sand beds at low transport rates. J. Hydraul. Eng. 123(120): 1118-1129.

 

Campbell, L., McEwan, I., Nikora, V., Pokrajac, D., Gallagher, M. and Manes, C. 2005. Bed load effects on hydrodynamics of rough bed open channel flows. J. Hydraul. Eng. 131(7): 576-585.

 

Cao, H. H. 1985. Resistance hydraulique d’un lit à gravier mobile à pente raide; étude expérimentale.
Ph. D. Thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausane, Lausanne, Switzerland.

 

Dey, S. and Debnath, K. 2001.Sediment pickup on stream wise sloping beds. J. Irrig. Drain. Eng. 127(1): 39-43.

 

Dey, S. and Raikar, R. V. 2007. Characteristics of loose rough boundary streams at near-threshold. J. Hydraul. Eng. 133(3): 288-304.

 

Dey, S., Das, R., Gaudio, R. and Bose, S. 2012. Turbulence in mobile-bed streams. Acta Geophysica. 60(1): 1547-1588.

 

Einstein, H. A. 1942. Formulas for the transportation of bed load. Proceeding of American Society of Civil Engineering, 67(3): 351-367.

 

Gao, P. and Abrahams, A. D. 2004. Bed load transport resistance in rough open channel flows. Earth Surf. Proc. Land. 29(4): 423-435.

 

Gust, G. and Southard, J. B. 1983. Effects of weak bed load on the universal law of the wall. J. Geophys. Res. 88, 5939-5952.

 

Gaudio, R., Miglio, A. and Calomino, F. 2011. Friction factor and von Kármán’s κin open channels with bed-load. J. Hydraul. Res. 49(2): 239-247.

 

Hu, S. and Abrahams, A. D. 2004. Resistance to overland flow due to bed-load transport on plane mobile beds. Earth Surf. Proc. Land. 29(13): 1691-1701.

 

Hu, S. and Abrahams, A. D. 2005. The effect of bed mobility on resistance to overland flow. Earth Surf. Proc. Land. 30(11): 1461-1470.

 

Khullar, N. K. 2002. Effect of wash load on transport of uniform and nonuniform sediments. Ph. D. Thesis. Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology.

 

Khullar, N. K. Kothyari, U. C. and Ranga-Raju, K. G. 2007. Bed load transport in the presence of wash load transport. ISH J. Hydraul. Eng. 13(1): 106-122.

 

Mahdavi, A. and Omid, M. 2004. The effect of bed roughness onvelocity profile in open channels. Proceedings of the Second International Conference on Fluvial Hydraulics, River Flow. June 23-25. Napoli, Italy.

 

Nikora, V. and Goring, D. 2000. Flow turbulence over fixed and weakly mobile gravel beds. J. Hydraul. Eng. ASCE. 126(9): 679-690.

 

Omid, M. Mahdavi, A. and Narayanan, R. 2003. Effects of bedload transport on flow resistance in rigid boundary channels. IAHR. Tessalonic. 641-646.

 

Powell, D. M. 2014. Flow resistance in gravel-bed rivers: Progress in research. Earth Sci. Rev. 136,
301-338.

 

Recking, A., Frey, P., Paquier, A., Belleudy, P. and Champagne, J. Y. 2008. Feedback between bed load transport and flow resistance in gravel and cobble bed rivers. Water Resour. Res. 44(5): W05412.

 

Rickenmann, D. 1990. Bedload transport capacity of slurry flows at steep slopes. Der Versuchsanstalt fuer Wasserbau. Hydrologie und Glaziologie, Eidg.Techn. Hochschule Zuerich, Switzerland.

 

Shields, A. 1936. Application of similarity principles and turbulence research to bed load movement. U.S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service Cooperative Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California.

 

Smart, G. M. and Jaeggi, M. N. R. 1983. Sediment transport on steepslopes. Mitteil. Versuchsanst. Wasserbau Hydrologie Glaziologie, Zurich, Switzerland.

 

Song, T., Chiew, Y. M. and Chin, C. O. 1998. Effect of bed load movement on flow friction factor. J. Hydraul. Eng. ASCE. 124(2): 165-175.