مطالعه آزمایشگاهی تأثیر توأم زبری و رسوب‌گذاری بر عملکرد هیدرولیکی سرریز‌های استوانه‌ای در شرایط جریان آزاد

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه مهندسی آب دانشگاه گیلان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه‌های آّبی، دانشگاه گیلان

3 استادیار گروه مهندسی آب دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان

چکیده

سرریزهای استوانه‌ای یکی از سازه‌های متداول برای اندازه‌گیری جریان و کنترل سطح آب در کانال‌های انتقال آب و رودخانه‌ها می‌باشند. پارامترهای هندسی و هیدرولیکی متعددی بر مشخصات جریان عبوری از این سرریزها تأثیرگذار است. در تحقیق حاضر اثر زبری سطح سرریز استوانه‌ای و رسوب‌گذاری بالادست آن بر ضریب دبی سرریز، توزیع فشار و افت انرژی در شرایط پایاب آزاد به‌صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌ها در شرایط عدم تغییر تراز کف کانال و در تراز دوسوم ارتفاع سرریز در 3 قطر از سرریز‌ استوانه‌ای، اعمال چهار زبری و دامنه وسیعی از دبی جریان انجام شد. مقایسه نتایج حاصل از بررسی تأثیر زبری و ترازهای مختلف کف کانال بالادست بر ضریب دبی سرریز نشان داد که در کلیه سرریزهای مورد مطالعه، در محدوده دبی حداقل تا حداکثر با افزایش زبری از PVC به 5/4 میلی‌متر مقدار ضریب دبی سرریز به‌طور متوسط 8 درصد کاهش و با افزایش تراز رسوب‌گذاری از صفر تا دوسوم ارتفاع سرریز، مقدار ضریب دبی سرریز 3 درصد افزایش می‌یابد. همچنین در تراز رسوب‌گذاری دوسوم ارتفاع سرریز افزایش زبری به 5/4 میلی‌متر منجر به کاهش 3 تا 7 درصدی ضریب دبی سرریز می‌شود. با افزایش قطر سرریز از 150 به 250 میلی‌متر مقدار ضریب دبی 5 درصد افزایش و افت انرژی 15 درصد کاهش می‌یابد. نتایج نشان داد که در کلیه سرریزها با افزایش زبری مقدار افت انرژی تقریباً 14 درصد افزایش و با افزایش تراز رسوب‌گذاری به دوسوم ارتفاع سرریز، مقدار آن 22 درصد کاهش می‌یابد. بررسی نتایج حاکی از آن است که روند تغییرات فشار در طول سرریز در تراز رسوب‌گذاری دوسوم ارتفاع سرریز، مشابه با روند تغییرات آن در شرایط بدون رسوب است اما مقدار آن با افزایش سطح رسوب‌‌گذاری، کاهش می‌یابد. علاوه بر این تأثیر زبری بر روی مقادیر فشار در نیمه پایین‌دست سرریز بیشتر از نیمه بالادست آن می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental study of combined effect of roughness and sedimentation on hydraulic performance of cylindrical weirs under free flow conditions

نویسندگان [English]

  • Mahdi Esmaeili Varaki 1
  • Nastaran Poornemat ellahi 2
  • Amir Malekpoor 3
1 University of Guilan
2 University of Guilan
3 University of Guilan
چکیده [English]

Cylindrical weirs are one of the most common structures for measuring flow discharge and controlling water level in canals and rivers. Numerous geometric and hydraulic parameters could affect the characteristics of flow passing over these weirs. In the present study, the effects of surface roughness and upstream sedimentation on discharge coefficient, pressure distribution and energy loss is investigated experimentally under the free overflow condition. The tests were carried out for a non-sedimenting channel bed, and sedimentation levels of 2/3 of the weir height. Three different weir diameters and four different surface roughnesses of the weirs were considered for a wide range of flow discharges. The comparison between results of the discharge coefficient of weirs for different upstream channel bed levels and the diameters of weirs indicated that as surface roughness increases from PVC to 4.5 mm, the discharge coefficient of the weir reduces of up to 8%. Also, by increasing the sedimentation level from zero to 2/3 of the weir height, the weir discharge coefficient increases up to 3%. In addition, the increase of roughness to 4.5 mm for sedimentation level of 2/3 weir height, leads to decrease in the discharge coefficient between 3 to 7 percent. By increasing weir diameter from 150 to 250 mm, the discharge coefficient increases up to 5%, and the energy loss decreases up to 15%. Moreover, it was found that in all of the tested weirs, as surface roughness increases, energy loss also increases up to 14% and by increasing the sedimentation level to 2/3 of the weir height, it reduces by 22%. The comparison between the results showed that pressure variation along the weir at a sedimentation level of 2/3 of the weir height followed a similar trend to the one that was obtained under non-sedimentation level. However, the magnitude of pressure decreased by increasing the sedimentation level. Besides, the effect of roughness on the pressure distribution on the weirs was greater at the downstream face compared with the upstream face.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cylindrical weirs
  • discharge coefficient of weir
  • Pressure distribution
  • energy loss
Asgarinezhad, A. R. (2013). Laboratory investigation of the effect of sedimentation and weir’s angle on discharge coefficient of triangular weirs. Msc Thesis. University of Tarbiat modares, Tehran. (In Farsi)

Bazin, H. (1898). Recent experiments on the flow of water over weirs. Mémoireset Documents. Annales des Ponts et Chaussées. Paris. France. 15, 151-264.

Beygipour, Gh. And Bina, M. (2005). Hydraulic characteristics of flow in cylindrical and circular crested weir. 5th Iranian hydraulics conference. Shahid Bahonar university of Kerman. Kerman. Iran. (In Farsi)

Bos, M.G. (1976). Discharge measurment Structures. International Institute for Land Reclamation and Implovment,Wegeningen. The Netherlands. pp. 394.

Chanson, H. and Montes, J. S. (1998). Overflow characteristics of circular weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 124(3), 152–162

Creager, W.P. (1917). Engineering for masonry dams. John Wiley and Sons, New York, USA. pp. 289.

Dastorani, M. and Nasrabadi, M. (2012). The effect of sedimetion deposition behind of ogee weir on flow conditions. Iranian Water Research Journal, 6(10), 47-57. (In Farsi)

Dizji, N. and Mahmoudkhani, A.M. (2009). Experimental investigation of effect of sedimentation on discharge coefficient in triangular, rectangular, ogee and over pass in open channel. Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering, 3(8), 50-39. (In Farsi)

Dressler, R. F. (1978). New nonlinear shallow flow equations with curvature. Journal of Hydraulic Research, 16(3), 205-222.

Escande, L. and Sananes, F. (1959). Etudes des seuils déversants à fente aspiratrice (Weirs with suction slots). Journal of La Houille Blanche, 14(Special B), 892–902.

Esmaeili, K., Naghavi, B. Kourosh Vahid, F. and Yazdi, J. (2010). Experimental and numerical modeling of flow pattern on circular weir. Journal of Water and Soil, 24(1), 166-179. (In Farsi)

Heidarpour, M. and Chamain, M. R. (2006). Velocity distribution over cylindrical weirs. Journal of Hydraulic Research, 44(5), 708-711. (In Farsi)

Heidarpour, M., J. Mohammadzadeh Habili and A. H. Haghiabi. (2008). Application of potential flow to circular-crested weir. Journal of Hydraulic Research, 46(5), 699-702. (In Farsi)

Jaeger, C. (1956). Engineering fluid mechanics. Blackie and Son, London. pp. 548.

Masoudian, M. and Gharahgezlou, M. (2012). Flow Characteristics of cylindrical weirs in a small laboratory canal. Journal of Science Series Data Report, 4(4), 12- 23.

Othman, KH. I., Tahsen, A.CH. and Ebrahim, A. I. AL. H. (2010). Effect of size and surface roughness of cylindrical weirs on overflow characteristics. Journal of AL-Rafidain Engneering, 19(2), 77-89.

Parilcova, J., Řiha, J. and Zachoval, Z. (2012). The influence of roughness on the discharge coefficient of abroad-crested weir. Journal of Hydrologyr and Hydromechanics, P: 101-114.

Ramamurthy, A. S., Vo, N. D. and Vera, G. (1992). Momentum model of flow past weir. Journal of Irrigation and Drainage Engneering, ASCE, 118(6), 988-994.

Ramamurthy, A. S. and Vo, N. D. (1993a). Application of Dressler theory to weir flow. Journal of Applied Mechanics, 60(1), 163-166.

Ramamurthy, A. S. and Vo, N. D. (1993b). Characteristics of circularcrested weir. Journal of  Hydraul Engneering, ASCE, 119(9), 1055-1062.

Rehbok, T. (1929). The river hydraulic laboratory of the Technical University of Karlsruhe. hydraulic laboratory practice. ASME, New York, N.Y, 111-242.

Sarginson, EJ. (1972). Theinfluence of surfac tension on weir flow. Journal of Hydraulic Research, 10(4), 431–446.

Shabanlou, S. and khorami, E. (2013). Study of the hydraulic properties of the cylindrical crested weirs. Journal of Flow Measurement Institute, 33, 153–159. (In Farsi)

Shafaattalab Dehghani, H., Esmaeili Varaki, M. and Ashragzadeh, A. (2015). Experimental study on effect of geometry and up stream channel bed level on discharge coefficient of trapezoidal labyrinth weir. 14th Iranian Hydraulics Conference. University of Sistan and balochestan, Zahedan. (In Farsi)