هیدرولیک و دینامیکی

دانلود پایان نامه

مقدمه
1-1-کلیات
آب به عنوان یکی از با ارزش‌ترین مواد حیات همواره ذهن بشر را مشغول و معطوف خود داشته است. با توسعه تمدن‌ها و تکنولوژی، بشر مبادرت به ساخت انواع سدها نمود تا بتواند آب را برای مواقع ضروری ذخیره نماید. انرژی پتانسیل ذخیره شده بالادست سدها در هنگام عبورآب از روی سرریز سدها به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد و نیروی هیدرودینامیکی زیادی را ایجاد می‌نماید. چنانچه این جریان با همان شدت وارد رودخانه یا کانال شود موجب فرسایش پایین دست در تاسیسات مربوطه می‌گردد و نهایتا” انهدام و خرابی سازه پایین دست را ایجاد خواهد نمود. لذا می‌بایست انرژی اضافی آب قبل از ورود به رودخانه مستهلک گردد. راه‌های متعددی از جمله ایجاد پرش هیدرولیکی برای مقابله با این انرژی وجود دارد. در واقع پرش هیدرولیکی از پدیده‌های مورد توجه در حیطه مهندسی هیدرولیک است که بصورت یک جریان متغیر سریع ایجاد می‌گردد که از تبدیل جریان فوق بحرانی به زیر بحرانی پدید می‌آید که بعنوان یک پدیده اتلاف کننده انرژی نیز کاربرد دارد. تاکنون انواع حوضچه‌های آرامش توسط اداره عمران اراضی آمریکا طراحی و آزمایش شده که عبارتند از حوضچه های تیپ I تا تیپ IV، لازم به ذکر است که حوضچه‌های تیپ ارائه شده دارای کف افقی و یا شیب خیلی کم می‌باشند. از آنجایی‌که موضوع پرش در مسیر کانالها و یا حوضچه‌های با شیب منفی هنوز در سطح وسیع مورد مطالعه و بررسی قرار نگرفته است. این موضوع می‌تواند در کاهش هزینه‌های اجرایی موثر باشد. از جمله محققینی که روی اینگونه شیب‌ها آزمایش‌هایی انجام دادند رویز(1938) و استیونز(1944) بودند که رویز معتقد بود فقط بر روی شیب‌های معکوس نزدیک به صفر تنها امکان تشکیل پرش پایدار وجود دارد در حالی که استیونز با روابط و تحلیل تئوری نشان داد که این امکان روی تمامی شیب‌ها وجود دارد(ابریشمی و حسینی، 1385).بدلیل اینکه شیب منفی خود در مسیر به عنوان یک مانع عمل کرده و کاهش نسبت اعماق مزدوج و کاهش طول پرش و نیز افزایش راندمان اتلاف انرژی نسبت به حالت افقی گشته و نهایتا با توجه به نتایج حاصل امکان ساخت حوضچه‌ای کوتاه‌تر و با ارتفاع دیواره‌های کمتر را ممکن می‌سازد. مهم‌ترین مسئله این است که مولفه نیروی وزن همواره در خلاف جهت جریان بوده و موجب ناپایداری پرش روی شیب می‌شود. تثبیت پرش روی شیب‌های منفی کارایی اینگونه کانال‌ها یا حوضچه‌ها را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. لذا روش‌های متعددی برای این منظور به نظر می‌رسد یک روش مناسب ایجاد زبری در مسیر جریان می‌باشد. این گونه زبری علاوه بر اینکه پرش را در موقعیت مورد نظر تثبیت می‌نماید باعث کاهش طول پرش نیز می‌گردد. در واقع کاهش طول پرش موجب افت انرژی در طول کوتاه‌تری شده، لذا راندمان افت انرژی را تا حد قابل محسوسی افزایش می‌دهد.
1-2- جریان متغیر سریع
اگر انحنا خطوط جریان در یک جریان متغیر زیاد و تغییرات عمق جریان در فواصل کم قابل ملاحظه باشد چنین جریانی را جریان متغیر سریع می‌نامند. در چنین جریانی مقاومت اصطکاکی نسبتاً ناچیز و تغییرات معمولاً موضعی خواهد بود، همچنین در این حالت مولفه شتاب در جهت عمود بر عمود بر خطوط جریان قابل صرف نظر کردن نمی‌باشد(فرهودی،1372).
1-3- پرش هیدرولیکی
پرش هیدرولیکی عبارت است از تغییر سریع جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی ضمناً پرش هیدرولیکی از انواع جریان‌های متغیر سریع است(ابریشمی و حسینی،1385).
1-4- طول پرش
طول پرش هیدرولیکی را محققین به گونه‌های مختلف تجزیه و تحلیل می‌نمایند. بسیاری از محققین معتقدند که در حوضچه‌های آرامش افقی که در آنها هیچگونه موانع پیش بینی نشده باشد، طول پرش بصورت زیر قابل محاسبه است(ابریشمی و حسینی، 1385):
(1-1)
چنانچه در انتهای حوضچه آرامش فقط یک دیوار سرتاسری قرار دهند، طول حوضچه کوتاهتر شده و به صورت زیر محاسبه می شود(ابریشمی و حسینی، 1385):
(1-2)
چنانچه پرش هیدرولیک روی سطح شیب‌دار اتفاق بیفتد طول پرش هیدرولیکی را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:
(1-3)
در این رابطه و زاویه کف حوضچه با افق می‌باشد. چنانچه باشد و خواهد بود.
1-5- ترسیم موقعیت پرش هیدرولیکی
پرش هیدرولیکی در مکانی تشکیل می‌شود که بین بخش‌های فوق بحرانی و زیر بحرانی جریان معادله ممنتوم صدق نماید. نقطه کنترل جریان‌های فوق بحرانی در پایانه بالادست و برای جریان‌های زیر بحرانی در پایانه پایین دست قرار دارد. بنابراین اگر پرش آبی در امتداد آبراهه‌ای موجود باشد موقعیت آن نیازهای سه گانه زیر را برآورده خواهد کرد(فرهودی، 1372):
1) عمق ورودی(y1) که بخشی از پروفیل بالادست است.
2) عمق ثانویه(y2) که بخشی از پروفیل پایین دست است.
3) عمق‌‌های (y1) و (y2)در معادله ممنتوم صادق بوده و به فاصله طول پرش از هم قرار می‌گیرند.
1-6- کاربرد پرش هیدرولیکی
کاربردهایی که از ایجاد پرش هیدرولیکی انتظار می‌رود عبارتند از: