مطالعه توزیع فشار غیر هیدرواستاتیک جریان با سطح آزاد در یک محیط متخلخل سنگریزه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران

2 استاد گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران

3 دانشیار گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه یاسوج

چکیده

با افزایش شیب سطح آب و بستر و یا ایجاد انحنای قابل ملاحظه در خطوط جریان، توزیع فشار عمودی از حالت هیدرواستاتیک خارج می‌شود. در محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای به دلیل افت شدید انرژی و اختلاف زیاد بین تراز آب بالادست و پایین‌دست محیط، توزیع فشار از نوع غیر هیدرواستاتیک مورد انتظار است. در این مقاله با استفاده از تئوری پای باکینگهام و تحلیل رگرسیون، رابطه‌ای برای نیمرخ طولی سطح آب در محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای ارائه شده و همچنین با استفاده از معادله اولر و با در نظر گرفتن اثرات شیب زیاد و انحنای عمودی خطوط جریان، رابطه توزیع فشار غیر هیدرواستاتیک در محیط‌های متخلخل سنگریزه‌ای به دست آمده است. نتایج آزمایشگاهی نیمرخ طولی سطح آب و نیمرخ طولی فشار وارد بر کف در محیط متخلخل سنگریزه‌ای با قطر متوسط ذرات 68/1 سانتی‌متر و دو طول 5/0 و 0/1 متری تطابق خوبی با روابط ارائه شده نشان می‌دهند به طوری که متوسط قدر مطلق خطای نسبی مقادیر محاسباتی این دو نیمرخ به ترتیب برابر با 31/1 و 71/1 درصد است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of non-hydrostatic pressure distribution of free surface flow in a 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 Irrigataion and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture and Engineering Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Full Professor, Dept. of Irrigataion and Reclamation Engineering, Faculty of Agriculture and Engineering Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Assistant Professor, Dept. of Soil Science, College of Agriculture, Yasouj University, Yasouj, Iran
چکیده [English]

Increasing the slopes of water surface and bed or making a considerable curvature of streamlines, resulted in the vertical pressure distribution deviate from hydrostatic distribution. Because of severe energy loss and big difference between upstream and downstream water surface elevations in rockfill porous media, it is expected that pressure distribution be non-hydrostatic. In this paper, with the aid of Buckingham π theorem and regression analysis, a relationship is proposed for water surface profile in rockfill porous media. Moreover, a non-hydrostatic pressure distribution for rockfill porous media is derived by applying Euler equation including the effects of streamlines curvature and large slopes. A series of laboratory experiments have been conducted on rockfill materials with diameter of 1.68 cm and two media length of 0.5 and 1.0 m. It is found that the introduced model gives satisfactory results compare to the experimental results so that mean absolute relative error of water surface and longitudinal pressure profile between two series of the data are 1.31 and 1.71 percent, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Coarse material
  • Euler equation
  • Longitudinal pressure profile
  • Turbulent Flow
  • Water surface profile

مراجع

Bazargan, J. and Shoaei, S. M. (2010). Analysis of Non-Darcy Flow in Rock Fill Materials Using Gradually Varied Flow Method. Civil Engineerng Infrastructures Journal (CEIJ), 44(2), 131-139. (In Farsi)
Castro-Orgaz, O. and Hager, W.H. (2014). One-dimensional modelling of curvilinear free surface flow: generalized Matthew theory. Journal of Hydraulic Research, 52(1), pp.14–23.
Castro-Orgaz, O. and Hager, W.H. (2013). Velocity profile approximations for two-dimensional potential open channel flow. Journal of Hydraulic Research, 51(6), pp.645–655.
Dressler, R.F. (1978). New Nonlinear Shallow-Flow Equations With Curvature. Journal of Hydraulic Research, 16(3), pp.205–222.
Fenton, J. (1996). Channel flow over curved boundaries and a new hydraulic theory. In Proceedings of 10th Congress, Asia and Pacific. pp. 26–29.
Hager, W.H. (1985). Equations For Plane, Moderately Curved Open Channel Flows. Journal of Hydraulic Engineering, 111(3), pp.541–546.
Hager, W.H. and Hutter, K. (1984). Approximate Treatment of Plane Channel Flow. ACTA MECHANICA, 51, pp.31–48.
Hansen, D. 1992. The behaviour of flow through rockfill dams, University of Ottawa (Canada).
Herrera, N.M. and Felton, G.K. (1991). Hydraulics Of Flow Through A Rockfill Dam Using Sediment-Free Water. Transactions of the ASAE, 34(3), pp.871–875.
Hosseini, S.M. (1997). Development of an Unsteady Non-linear Model for Flow Through Coarse Porous Media. The University of Guelph.
Matthew, G.D., (1991). Higher order, one-dimensional equations of potential flow in open channels. In Proc Inst Civ Engrs. pp. 187–201.
Parkin, A.K. (1963). Rockfill dams with inbuilt spillways. Stability characteristics-Water Research Foundation of Australia-Melbourne.
Sedghi-Asl, M. ,Rahimi, H, Farhoudi, J. ,Samani, J. (2011). Analysis of the Water Surface Profiles through Coarse Porous Medium. Iran Water Research Journal (IWRJ), 4(7), 81-88. (In Farsi)
Sedghi-Asl, M., Rahimi, H., Farhoudi, J., Hoorfar and A., Hartmann, S. (2014). One-Dimensional Fully Developed Turbulent Flow through Coarse Porous Medium. Journal of Hydrologic Engineering, 19(7), pp.1491–1496.
Shokri, M., Saboor, M.R.; Bayat, H. and Sadeghian, J. (2012). Experimental Investigation on Nonlinear Analysis of Unsteady Flow Through Coarse Porous Media. journal of Water and Wastewater, 23(4), 106-115. (In Farsi)
Shokri, M. and Sabour, M. (2014). Experimental study of unsteady turbulent flow coefficients through granular porous media and their contribution to the energy losses. KSCE Journal of Civil Engineering, 18(2), pp.706–717.
Steffler, P.M. and Jin, Y.-C. (1993). Depth averaged and moment equations for moderately shallow free surface flow. Journal of Hydraulic Research, 31(1), pp.5–17.
Stephenson, D. (1979). Rockfill in hydraulic engineering. Elsevier science publisher, New York.
Wilkins, J.K. (1955). Flow of water through rock fill and its application to the design of dams. New Zealand Engineering, 10(11), p.382.
Zerihun, Y.T. (2004). A One-dimensional Boussinesq-type Momentum Model for Steady Rapidly Varied Open Channel Flows. The University of Melbourne.
Zerihun, Y.T. (2016). Modelling free surface flow with curvilinear streamlines by a non-hydrostatic model. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 64(3), pp.281–288.
Zerihun, Y.T. and Fenton, J.D. (2006). One-dimensional simulation model for steady transcritical free surface flows at short length transitions. Advances in Water Resources, 29(11), pp.1598–1607.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 48، شماره 4
آذر و دی
آذر 1396
صفحه 917-928

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار