تحلیل آبگذری فلوم‌های نوع SMBFدر شرایط جریان آزاد و مستغرق

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کاندیدای دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

3 استاد، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

چکیده

از رایج‌ترین وسیله‌های اندازه‌گیری جریان در مجاری روباز، فلوم‌ها می‌باشند که در آن سرعت جریان، بر اثر تنگ‌شدگی عرضی، برآمدگی کف و یا ترکیبی از این دو، افزایش می‌یابد. یکی از فلوم‌های با ویژگی فوق، فلوم SMBF است که با داشتن دو نیم‌استوانه در طرفین کانال، باعث تنگ‌شدگی عرضی می‌شود. در تحقیق حاضر سازه SMBF جهت اندازه‌گیری بده در شرایط جریان آزاد و مستغرق مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس 575 سری داده آزمایشگاهی بر روی دو کانال با ابعاد مختلف و استفاده از هشت نمونه فلوم SMBF، در محدوده وسیعی از بده، عمق بالادست، و نسبت تنگ‌شدگی عرضی، معادلات بده پیشنهادی مختلف، مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفتند. بر مبنای تحلیل‌های آزمایشگاهی، عددی و برداشت توزیع سرعت در مقطع گلوگاه، غیریکنواختی توزیع سرعت و عمق در مقطع تنگ‌شدگی و ماهیت دو بُعدی جریان، تبیین گردید. سپس با در نظر گرفتن ضرایب تصحیح جریان در مقطع گلوگاه و اِعمال آن در رابطه انرژی، معادله‌ای جهت تحلیل آبگذری این نوع فلوم‌ها در شرایط جریان آزاد استخراج شد. هم‌چنین روابطی جهت تعیین آستانه استغراق (به‌صورت تابعی از عمق بالادست و عرض گلوگاه) و تحلیل آبگذری در شرایط جریان مستغرق استخراج گردید. میانگین قدر مطلق خطای نسبی بده تخمینی از رابطه پیشنهادی در شرایط جریان آزاد بر اساس سه مجموعه داده آزمایشگاهی (کانال‌ 1، کانال 2 و داده‌های سایر محققین)، به ترتیب 82/2، 19/3 و 52/1 درصد است. همچنین میانگین خطای برآورد بده در شرایط جریان مستغرق، 51/5 درصد به دست آمد. نتایج نشان داد کاربرد سازه SMBF به‌عنوان یک ابزار اندازه‌گیری قابل­حمل، در شرایط جریان آزاد و مستغرق امکان‌پذیر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Discharge Analysis of SMBF Flumes in Free and Submerged Flow Conditions

نویسندگان [English]

  • Younes Aminpour 1
  • Alireza Vatankhah 2
  • Javad Farhoudi 3
1 PhD Candidate of Water Structures, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University of Tehran, P. O. Box 4111, Karaj, 31587-77871, Iran.
2 Associate Professor, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, P. O. Box 4111, Karaj, 31587-77871, Iran.
3 Full Professor, Department of Irrigation and Reclamation Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, P. O. Box 4111, Karaj, 31587-77871, Iran.
چکیده [English]

One of the most commonly used devices for flow measurements in open channels is the flume, in which the flow velocity increases due to the lateral contraction, raising the bottom of the channel, or a combination of both them. SMBF is a flume with the above mentioned properties, having two semi-cylinders on the side walls of the channel that contract the cross-sectional area of the flow. In this study, the SMBF flume has been studied for measuring the flow in free and submerged flow conditions. Using the experimental data (575 runs) of two rectangular channels, and using eight SMBF flumes, the proposed discharge equations were examined for the wide ranges of flow discharge, upstream depth, and contraction ratio. In the present study, based on the numerical and experimental analysis, and by measuring the velocity distribution at the throat section, non-uniformity of velocity distribution and depth in the contracted section, as well as the two-dimensional nature of flow were studied. Then, by considering the flow correction coefficients in the throat section and applying them into the energy equation, an equation was developed for estimating the flow discharge‎ under free flow conditions. Also, two equations were developed to determine the submergence threshold (as a function of upstream depth and throat width) and for the discharge estimation under submerged conditions. The mean absolute relative error of the estimated flow discharge of the SMBF flumes in free flow conditions and based on three experimental data series (channel 1, channel 2, and other researcher’s data) were respectively estimated to be 2.82, 3.19 and 1.52%. Additionally, the mean absolute relative error of the estimating flow discharge in the submerged conditions was 5.51%. The results showed a feasible application of SMBF structure, as a portable measuring instrument under free and submerged conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Measurement
  • Flume
  • Free Flow
  • Submerged Flow
  • Submergence Threshold
Baiamonte, G., and Ferro, V. (2007). Simple flume for flow measurement in sloping open channel. Journal of irrigation and drainage engineering, 133(1), 71-78.

Carollo, F. G., Di Stefano, C., Ferro, V., and Pampalone, V. (2016). New Stage-Discharge Equation for the SMBF Flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 142(5), 04016005.

Di Stefano, C., Di Piazza, G. V., and Ferro, V. (2008). Field testing of a simple flume (SMBF) for flow measurement in open channels. Journal of irrigation and drainage engineering, 134(2), 235-240.

Lotfi Kolavani, F., Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V., and Mazdeh, A. M. (2018). Flow measurement using circular portable flume. Flow Measurement and Instrumentation, 62, 76-83.

Lotfi Kolavani, F., Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V., and Mazdeh, A. M. (2019). Experimental Study of Central Baffle Flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 145(3), 1-14.

Samani, Z. (2017). Three simple flumes for flow measurement in open channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 143(6), 04017010.

Samani, Z., and Magallanez, H. (1993). Measuring water in trapezoidal canals. Journal of irrigation and drainage engineering, 119(1), 181-186.

Samani, Z., and Magallanez, H. (2000). Simple flume for flow measurement in open channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126(2), 127-129.

Samani, Z., Jorat, S., and Yousaf, M. (1991). Hydraulic characteristics of circular flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(4), 558-566.

Vatankhah, A. R. (2017). Discussion of “New Stage-Discharge Equation for the SMBF Flume” by Francesco Giuseppe Carollo, Costanza Di Stefano, Vito Ferro, and Vincenzo Pampalone. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 143(8), 07017011.