استهلاک انرژی جریان در سازه ریزشی گردابی با ورودی مماسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

2 بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهیدباهنر کرمان

چکیده

سازه­ی ریزشی گردابی به­منظور انتقال جریان از رقوم بالاتر به رقوم پایین­تر به­کار می­رود. استهلاک انرژی جریان از وظایف عمده­ی این سازه­ها می­باشد. در تحقیق حاضر مدل فیزیکی سازه ریزشی گردابی فاضلاب شرق تهران (ایران) مورد بررسی قرار گرفت و میزان تاثیر پارامترهای عدد فرود جریان ورودی، شیب کف سازه ورودی و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم در میزان استهلاک انرژی جریان بررسی گردید. این مطالعه با عدد فرود جریان ورودی برابر 79/1، 01/2، 18/2 و 31/2  و شیب کف سازه ورودی 251/0، 4/0 و 571/0 و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم برابر 0، 1 و 2 انجام شد. به­همین منظور 36 حالت آزمایش طراحی گردید. برای افزایش دقت و آنالیز نتایج، هر آزمایش 3 بار تکرار شد. در نتیجه تعداد کل آزمایش­ها، 108 آزمایش می­باشد. نتایج نشان داد با تغییر پارامترها، انرژی جریان بین 7/93 تا 5/98 درصد مستهلک می­گردد. با افزایش عدد فرود جریان ورودی و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم میزان استهلاک انرژی به­ترتیب 2/2 و 3 درصد کاهش می­یابد. همچنین با افزایش شیب کف سازه ورودی میزان استهلاک انرژی جریان 4/2 درصد افزایش می­یابد. با بررسی اثر متقابل استهلاک انرژی جریان و عدد فرود جریان خروجی، نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم مناسب بین 3/0 تا 2/1 پیشنهاد گردید. علاوه­براین با استفاده از تحلیل واریانس رابطه­ای غیر خطی برای تخمین میزان استهلاک انرژی جریان ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Flow Energy Dissipation in Vortex Drop Shaft by Tangential Inlet

نویسندگان [English]

  • Amin Hajiahmadi 1
  • Mahnaz Ghaeini-Hessaroeyeh 2
  • Mohammad-Javad Khanjani 1
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman
چکیده [English]

Vortex drop shafts, with a primary function of dissipating flow energy, are used to transfer flow from higher to lower elevations. In the present research, the physical model of the vortex drop shaft of the eastern Tehran sewage system in Iran are studied and the effects of the inflow Froude number, inlet bottom slope, and the ratio of sump depth to vertical shaft diameter on the flow energy dissipation rate are surveyed. This study was performed with Froude numbers of 1.79, 2.01, 2.18 and 2.31, the inlet bottom slopes of 0.251, 0.4, and 0.571, and the sump depth to vertical shaft diameter ratios of 0, 1, and 2. Accordingly, 36 experiments were designed. For the purpose of increasing accuracy and analysis of results, each experiment is repeated 3 times. Consequently, 108 experiments were done. The results showed that the flow energy is dissipated  in the range of 93.7% to 98.5% by changing the parameters. In addition, increasing the inflow Froude number and the sump depth to vertical shaft diameter ratio cause the reduction of the flow energy dissipation rate in the vortex drop shaft by 2.2% and 3%, respectively. Also, increasing the inlet bottom slope increases the flow energy dissipation rate by 2.4%. According to the interaction between the flow energy dissipation and the outflow Froude number, the appropriate sump depth to vertical shaft diameter ratio proposed 0.3-1.2. Furthermore, a nonlinear relationship using the variance analysis was presented to estimate the flow energy dissipation rate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drop Shaft
  • Vortex Flow
  • energy dissipation
  • Variance analysis
Crispino, G., Pfister, M. & Gisonni, C., (2019). Hydraulic design aspects for supercritical flow in vortex drop shafts, Urban Water Journal, 16(3): 225-234. https://doi.org/10.1080/1573062X.2019.1648531
Drioli, C. (1947). Su un particolare tipo di imbocco per pozzi di scarico (scaricatore idraulico a vortice). L’Energia Elettrica 24 (10): 447–452. (In Italian)
Fernandes, J., Jónatas, R., (2019). Experimental flow characterization in a spiral vortex drop shaft. Water Science and Technology, 80 (2): 274-281. https://doi.org/10.2166/wst.2019.274
Granata, F. (2016). Dropshaft cascades in urban drainage systems. . Water Science and Technology, 73 (9): 2052–2059. https://doi.org/10.2166/wst.2016.051
Hager, W. H. (1985). Head-discharge relation for vortex shaft. Journal of Hydraulic Engineering, 111 (6), 1015–1020. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1985)111:6(1015)
Hager, W.H., Kellenberger, M.H. (1987). Die Dimensionierung des Wirbelfallschachtes (The design of the vortex drop). gwf - Wasser/Abwasser 128(11): 585–590. (in German)
Hager, W. H. (1990). Vortex drop inlet for supercritical approach flow. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (8): 1048-1054. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:8(1048)
Hager, W. H. (2010). Wastewater hydraulics: Theory and practice. New York: Springer. https://www.springer.com/gp/book/9783642113826
Jain, S. C. (1984). Tangential vortex-inlet. Journal of Hydraulic Engineering, 110 (12): 1693-1699. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1984)110:12(1693).
Jain, S. C., and J. F. Kennedy. (1983). Vortex-flow dropstructures for the Milwaukee Metropolitan Sewerage District inline storage system. IIHR Rep. No. 264. Iowa City, IA: Univ. of Iowa.
Liu, Z.-P., X.-L. Guo, Q.-F. Xia, H. Fu, T. Wang, and X.-L. Dong. (2018). Experimental and numerical investigation of flow in a newly developed vortex drop shaft spillway. Journal of Hydraulic Engineering, 144 (5): 04018014. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001444
Mahmoudi-Rad, M., Khanjani, M. J., (2019). Energy Dissipation of Flow in the Vortex Structure: Experimental Investigation. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 10(4): 040190271- 0401902716. https://doi.org/10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000398
Ministry of energy, (2016). Principles and Criteria for designing Wastewater Networks and storm-sewer, Standard Department of National Water & Wastewater Engineering Company(NWW), Journal 116, Iran. (in Farsi) https://seso.moe.gov.ir
Montgomery, D. C. (2013). Design and Analysis of Experiments. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. https://doi.org/10.1002/ep.11743
Mulligan, S., Casserly, J., & Sherlock, R. (2016). Effects of geometry on strong free-surface vortices in subcritical approach flows. Journal of Hydraulic Engineering, 142(11), 04016051. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001194
Pfister, M., Crispino, G., Fuchsmann, T., Ribi, J., M., and Gisonni, C., (2018). Multiple Inflow Branches at Supercritical-Type Vortex Drop Shaft, Journal of Hydraulic Engineering, 144(11): 050180081- 050180089. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001530
Rajaratnam, N., Mainali, A., Hsung, C.Y. (1997). Observations on flow in vertical dropshafts in urban drainage systems. J. Envir. Eng. 123(5), 486–491.
Rhee, D. S., Park, Y. S., & Park, I. (2018). Effects of the bottom slope and guiding wall length on the performance of a vortex drop inlet. Water Science and Technology, 78(6): 1287–1295. https://doi.org/10.2166/wst.2018.397
Vischer, D. L., and W. H. Hager. (1995). Vortex drops. Chap. 9 in Energy dissipators: Hydraulic structures design manual, 167–181. Rotterdam, Netherlands: A.A. Balkema.
Yu, D., and J. H. W. Lee. (2009). Hydraulics of tangential vortex intake for urban drainage. Journal of Hydraulic Engineering. 135 (3): 164–174. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2009)135:3(164)
Zhao, C. H., S. K. Sun, and Z. P. Liu. (2001). Optimal study on the depth of stilling well for rotation-flow shaft flood-releasing tunnel. Water Power, 2001(5): 30–33. (In Chinese)
Zhao, C.-H., D. Z. Zhu, S.-K. Sun, and Z.-P. Liu. (2006). Experimental study of flow in a vortex drop shaft.” Journal of Hydraulic Engineering, 132 (1): 61–68. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:1(61)