مطالعه آزمایشگاهی شاخص سرعت (نسبت سرعت متوسط به سرعت سطحی) و الگوهای سطحی جریان فوق‌بحرانی روی شیب تند با استفاده از LSPIV

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز

2 دانشگاه شهید چمران اهواز- استاد دانشکده مهندسی علوم آب

3 دانشیار، انستیتو مهندسی هیدرولیک و مدیریت منابع آب، دانشگاه صنعتی گراتز، اتریش

4 گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.

چکیده

اندازه‌گیری دبی جریان در آبراهه‌های روباز همواره یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های متخصصین حوزه آب بوده است. رویکردی که اخیراً به‌عنوان یک گزینه غیرتماسی برای اندازه‌گیری جریان در مجاری روباز موردتوجه قرارگرفته است استفاده از روش‌های سرعت‌سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان می‌باشد. ازجمله این روش‌ها گونه‌ای از روش سرعت‌سنجی تصویری ذرات (PIV) موسوم به سرعت‌سنجی بزرگ‌مقیاس تصویری ذرات (LSPIV) است که به دلیل حذف ضرورت استفاده از لیزر طرفداران زیادی پیداکرده است. در این مطالعه برای اندازه‌گیری میدان دوبعدی سرعت بر روی سطح جریان فوق‌بحرانی روی شیب تند از LSPIV بهره‌گیری شد. بدین ترتیب که تعداد 24 آزمایش برای سه شیب مختلف (2، 6 و 10 درصد) و هشت مقدار مختلف نسبت ابعاد (7 تا 5/20) انجام و در هر آزمایش به مدت 60 ثانیه با فرکانس 125 فریم بر ثانیه تصویربرداری از سطح جریان صورت گرفت. از داده‌های سرعت حاصله برای محاسبه شاخص سرعت (VI) استفاده گردید. این شاخص برای تبدیل سرعت سطحی به ‌سرعت متوسط مقطع و نهایتاً اندازه‌گیری دبی جریان بکار می‌رود. تأثیر تغییرات نسبت ابعاد روی این شاخص مورد بررسی قرار گرفت. مقدار متوسط بدست آمده برای شاخص سرعت معادل 701/0 می‌باشد که با مقدار متداول 85/0 حدود 17 درصد اختلاف دارد. بعلاوه الگوهای سرعت متوسط زمانی سطح جریان برای حالات مختلف به‌صورت کمی مقایسه شد. با توجه به‌اینکه تاکنون شاخص سرعت غالباً برای شرایط زیربحرانی مطالعه شده است، نتایج این تحقیق می‌تواند برای اندازه‌گیری جریان‌های فوق‌بحرانی راهگشا باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Velocity Index and Supercritical Flow Surface Patterns on Steep Ship Using LSPIV

نویسندگان [English]

  • Farhad Akbarpour 1
  • Manoochehr Fathi-Moghadam 2
  • Josef Schneider 3
  • Ahmad Fathi 4
1 Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
2 Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
3 Institute of Hydraulic Engineering and Water Resource Management, Graz University of Technology, Austria
4 Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Measuring flow discharge in open waterways has always been one of the most important concerns for water experts. Flow surface image velocimetry method as a non-contact option has recently been widely utilized to measure discharge in open channels. One of these methods is a type of PIV method named LSPIV which has been paied more attention due to the elimination of laser application. In this study, LSPIV was used to measure 2D velocity field over the surface of a steep supercritical flow. Totally 24 experiments including three different slopes (2, 6 and 10 percent) and eight different dimension ratios (7 to 20.5) were conducted and in each experiment the flow surface was recorded with a frequency of 125 fps for 60 seconds. The Velocity Index was calculated bt the obtained velocity data. This index is used for convering the surface velocity to average velocity of the cross section and subsequently for determination of flow discharge. The effect of different dimention ratios on VI was investigated. The average value for VI was obtained to be 0.701 which is differ from the established value (0.85) by about 17%. Moreover, the flow surface time-averaged velocity patterns were quantitavely compared for different flow conditions. Since, the velocity index has been so far studied for subcritical conditions, the results of this study may be helpfull for measuring supercritical flows.

کلیدواژه‌ها [English]

  • LSPIV
  • Steep Channels
  • Velocity Index (VI)
  • Flow pattern
  • Supercritical Flow

مراجع

Ahmed, D.I, Latrache, N. and Nsom, B. (2015). Applied the large scale particle image velocimetry technique for measurement the velocity of gravity currents in the laboratory. Journal of Water Resource and Protection, (7), 597-604.
Albayrak, I and Lemmin, U. (2007). Large scale PIV-measurements on the water surface of turbulent open channel flow. 18ème Congrès Français de Mécanique, August 27-31., Grenoble, France, pp. 1-6.
Albayrak, I and Lemmin, U. (2011). Secondary currents and corresponding surface velocity patterns in a turbulent open-channel flow over a rough bed. J. Hydraul. Eng., 137(11): 1318-1334.
Bieri, M., Jenzer, J., Kantoush, S.A., Boillat, J. L. (2009). Large scale particle image velocimetry applications for complex free surface flows in river and dam engineering. 33rd IAHR Congress Proc. British Columbia, Vancouver, 604-611.
Bradley, A.A., Kruger, A., Meselhe, E.A., Muste, M.V. (2002). Flow measurement in streams using video imagery. Water Resour. Res. 38 (12), 13-15.
Costa, J. E., K. R. Spicer, R. T. Cheng, P. F. Haeni, N. B. Melcher, E. M. Thurman, W. J. Plant, and W. C. Keller (2000). Measuring stream discharge by non-contact methods: A proof-of-concept experiment, Geophys. Res. Lett., 27(4), 553–556.
Fox, J.F and Patrick, A. (2008). Large-scale eddies measured with large scale particle image velocimetry. Flow Measurement and Instrumentation (19), 283–291.
Fujita I, Muste M, and Kruger A. (1998). Large-scale particle image velocimetry for flow analysis in hydraulic engineering applications, Journal of Hydraulic Research, 36(3), 397-414.
Gunawan B., Sun X., Sterling M., Shiono K., Tsubaki R., Rameshwaran P., Knight D.K., Chandler J.H., Tang X., and Fujita I. (2012). The application of LS-PIV to a small irregular river for inbank and overbank flows, Flow Measurement and Instrumentation, (24), 1-12.
Jodeau, M., A. Hauet, A. Paquier, J. Le Coz, and G. Dramais (2008). Application and evaluation of LS-PIV technique for the monitoring of river surface velocities in high flow conditions, Flow Meas. Instrum., 19(2), 117–127.
Kantoush, S.A., De Cesare, G., Boillat, J.L., and Schleiss, A.J. (2008).  Flow field investigation in a rectangular shallow reservoir using UVP, LSPIV and numerical modelling, Flow Meas. Instrum. (19) 139–144.
Kantoush S.A., Schleiss A.J., Sumi T., and Murasaki M. (2011). LSPIV implementation for environmental flow in various laboratory and field cases. Journal of Hydro-environment Research, (5), 263-276.
Lee, J. S., and P. Y. Julien (2006). Electromagnetic wave surface velocimetry, J. Hydraul. Eng., 132(2), 146-153.
Manes, D. Pokrajac, and I. K. McEwan. (2007). Double-averaged open channel flows with small relative submergence. J. Hydr. Eng.ASCE, 133 (8), 896-904.
McKenna, S.P. and McGillis, W.R. (2004). The role of free-surface turbulence and surfactants in air–water gas transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer, (47), 539–553.
Moramarco, T., Barbetta, S., and Tarpanelli, A. (2017). From surface flow velocity measurements to discharge assessment by the entropy theory. Water, (9), 1-12.
Muste, M., I. Fujita, and Hauet, A. (2008). Large-scale particle image velocimetry for measurements in riverine environments, Water Resour.Res., (44), 1-14.
Muste, M., H.-C. Ho, and D. Kim (2011). Considerations on direct stream flow measurements using video imagery: Outlook and research needs, J. Hydroenviron. Res., 5(4), 289–300.
Muste, M., Hauet, A., Fujita, I., Legout, C. and Ho, H. C. (2014). Capabilities of large-scale particle image velocimetry to characterize shallow free-surface flows. Advances in Water Resources, (70), 160-171.
Novak, G., Rak, G., Prešeren, T. and Bajcar, T. (2017). Non-intrusive measurements of shallow water discharge. Flow Measurement and Instrumentation (56), 14–17.
Orlins, J. J. and Gulliver, J. S. (2000). Measurements of free surface turbulence. Fourth International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces, June 5-8., Miami Beach, Florida, the USA, pp. 1-7.
Pagliara S, Das R, Carnacina I. (2008). Flow resistance in large-scale roughness condition. Can J Civ Eng 35(11), 1285–1293.
Papanicolaou, A.N., D.C. Dermisis, and Elhakeem M. (2011). Investigating the role of clasts on the movement of sand in gravel bed rivers, J. Hydraul. Eng. ASCE (137), 871-883.
Polatel, C. (2006) Signature of the roughness and the flow regime on the free surface. Ph.D. thesis, Univ. of Iowa, Iowa City.
Raffel, M., C. E. Willert, S. T. Wereley, and J. Kompenhans (2007) Particle image velocimetry. A Practical Guide, N. Y: Springer
Shin, S.S., Park, S.D., Lee, S.K. (2016). Measurement of flow velocity using video image of spherical float. Procedia Engineering (154), 885 – 889.
Sutarto, T. E. (2015). Application of large scale particle image velocimetry (LSPIV) to identify flow pattern in a channel. Procedia Engineering (125), 213 – 219.
Tamburrino, A., and Gulliver, J. S. (2007). Free-surface visualization of streamwise vortices in a channel flow. Water Resour. Res., (43), 1-12.
Tauro, F.; Porfiri, M.; Grimaldi, S. (2014). Orienting the camera and firing lasers to enhance large scale particle image velocimetry for streamflow monitoring. Water Resour. Res, (50), 7470–7483.
Thielicke, W. and Stamhuis, E. J. (2014) PIVlab- Time-resolved rigital particle image velocimetry tool for MATLAB (version: 1.41).
Weitbrecht, V., Kühn, G., and Jirka, G.H. (2002). Large scale PIV-measurements at the surface of shallow water flows, Flow. Meas. Instrum. (13), 237–245.
Welber, M.; Le Coz, J.; Laronne, J.B.; Zolezzi, G.; Zamler, D.; Dramais, G.; Hauet, A.; Salvaro, M. (2016). Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR).Water Resour. Res, (52), 1108–1126.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 50، شماره 2
خرداد و تیر 1398
صفحه 363-377

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار