پیش‌بینی ضریب دبی سرریز کلید پیانو قوسی با مقطع ذوزنقه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سازه های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز، اهواز، ایران.

2 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

3 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اهواز.

چکیده

در این تحقیق شکل خاصی از سرریزهای غیر خطی با عنوان سرریزهای کلید پیانویی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این نوع از سرریزها بر خلاف سرریزهای کنگره­ای، دهانه­ها یک در میان به سمت داخل مخزن و بیرون آن شیب­دار می­باشد. با توجه به اینکه با قوسی کردن سرریز، طول موثر آن افزایش می­یابد، لذا این پژوهش با هدف بررسی آزمایشگاهی ضریب آبگذری سرریز کلید پیانویی قوسی در پلان در شرایط جریان آزاد انجام شده است. در این پژوهش 27 مدل سازه سرریز کلید پیانویی قوسی با سه طول قوس 20/1، 40/1، 60/1  متر، سه طول تاج 10/5، 30/4، 20/3  متر و سه ارتفاع تاج 30/0، 20/0 ،15/0 P=متر ساخته شد. برای ساخت تمامی مدل­ها از جنس شیشه با ضخامت 10 میلی­متر استفاده گردید. مدل­ها از نظر تاثیر ارتفاع، نسبت پهنای کلیدها و نیز تاثیر قوس در شرایط طول موثر یکسان، با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج پژوهش نشان داد که افزایش دبی و به تبع آن افزایش نسبت بی بعد ارتفاع انرژی کل جریان بالادست نسبت به تاج سرریز بر ارتفاع سرریز ، منجر به کاهش ضریب آبگذری شده و در واقع تاثیر عکس بر روی ضریب آبگذری سرریز کلید پیانویی در جریان آزاد دارد. همچنین با افزایش نسبت بی­بعد عرض کلیدهای ورودی و خروجی ، جریان های ریزشی از کلید خروجی با هم تداخل پیدا کرده و در نتیجه به دلیل استغراق موضعی، ضریب ابگذری سرریز کلید پیانویی قوسی در جریان آزاد کاهش می­یابد. مدل قوسی با طول قوس 40/1  متری با 27/1=  بیشترین و مدل قوسی با 20/1   متر و 22/1 =  کمترین میزان ضریب آبگذری در جریان آزاد را به خود اختصاص دادند. در نهایت مشخص گردید که مدل قوسی نسبت به مدل مستقیم دارای ضریب آبگذری بالاتری بوده که این امر اثر مثبت قوس را بیان می کند. همچنین به­منظور تخمین ضریب آبگذری جریان آزاد  و دبی جریان Q روابطی برای سرریز کلید پیانویی در حالت قوسی ارائه شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Predicting the Discharge Coefficient of Arched Piano Key with a Trapezoidal Cross Section

نویسندگان [English]

  • kazem Allahdadi 1
  • Mohammad Ansari Ghojghar 2
  • masoumeh zeinali 2
  • Ehsan Parsi 3
1 Department of Water Science, Islamic Azad University, Science and Research Branch-Khuzestan, Ahwaz, Iran.
2 Department of Irrigation and Reclamation Engineering, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
3 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Islamic Azad University Ahwaz, Ahwaz, Iran.
چکیده [English]

In this research, a special form of nonlinear weirs called piano key overflows has been studied. In this type of weirs, unlike congressional weirs, the openings are sloping inwards and outwards one by one.so this study was conducted with the aim of laboratory study of the discharge coefficient of the arched piano key in the plan in free flow conditions. In this research, 27 models of arched piano key overflow structures with three arc lengths of 1.20, 1.40, 1.60 m, three crown lengths of 5.10, 4.30, 3.20 m and three crown heights of 0.30, Made 0.20, P = 0.15 m. All models were made of glass with a thickness of 10 mm.The models were compared in terms of height effect, key width ratio and arc effect under the same effective length conditions. The results showed that increasing the flow rate and consequently increasing the dimensionless ratio, leads to a decrease in watering coefficient and in fact has the opposite effect on the permeability coefficient of piano switch weir in free flow. Also, by increasing the dimensionless ratio, the flow currents from the output switch interfere with each other, and as a result, due to the local immersion, the overflow coefficient of the overflow of the arched piano switch in the free flow decreases. The arc model with an arc length of 1.40 m with 1.27 had the highest and the arc model with 1.20 m and 1.22 had the lowest permeability coefficient in free flow. Finally, it was found that the arc model has a higher permeability coefficient than the direct model, which indicates the positive effect of the arc. Also, in order to estimate the permeability coefficient of free flow and Q flow rate, relationships were provided for the overflow of the piano switch in the arc position.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piano key weir
  • arc weir
  • discharge coefficient
  • Free Flow
  • Regression
Abbasi, S. Eskandari, M. (2014). Hydraulic behavior of piano key Weir. 13th Iranian Hydraulic Conference. Department of Water Engineering, University of Tabriz. (In Farsi)
Anderson R.M. and Tullis, B.P. )2013(. Piano Key weir hydraulics and labyrinth weir comparison. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 139 (3): 246-253.
Ansari, M. F. Mujib, A. H. (2020). Experimental studies and model development of flow over Arched Labyrinth Weirs using GMDH method. Journal of Applied Water Engineering and Research, DOI: 10.1080/23249676.2020.1799443.
Eman, A.E. Ismail, F. (2020). Prediction of scour downstream of triangular labyrinth weirs. Alexandria Engineering Journal. 59, 1037–1047.
Eslinger, K.R., Crookston, B.M. (2020). Energy Dissipation of Type a Piano Key Weirs. MDPI Water, 12, 1253; doi: 10.3390/w12051253.
Kabiri-Samani, A., Borghei, S.M. and Esmaili, H. (2011). Hydraulic performance of labyrinth side weirs using vanes or piles. Water Management.164 (5): 229-241.
Kabiri-Samani, A.R. and Javaheri, A. (2012). Discharge coefficient for free and submerged flow over the piano key weirs. J. Hydraulic Res. 50(1), 114-120.
Karimi Chartaghi, M. Nazari, S. Karimi Chartaghi, M. (2014). Experimental study of discharge coefficient in Trapezoidal Piano Key Weir with Variable Crest. 8th International Congress on Civil Engineering. Babol. (In Farsi)
Kumar, M. Sihag, P. Tiwari, N.K. Ranjan, S. (2020). Experimental study and modelling discharge coefcient of trapezoidal and rectangular piano key weirs. Applied Water Science, 10:43, doi.org/10.1007/s13201-019-1104-8.
Lempérière F. and Ouamane A. (2003). The Piano Keys weir: a new cost-effective solution for spillways. International Journal of Hydropower and Dams, 10 (5): 144-149.
Machiels, O. Epricum, S. Dewals, B.J. Archambeau, P. Pirotton, M. (2011). Experimental observation of flow characteristics over a Piano Key weir. Journal of Hydraulic Research, 49 (3): 359-366.
Mirzaei, Kh. and Sheibani, H. (2020). Experimental Investigation of Arched Sharp-Crested Weir Flow and comparing it with Rectangular Weir. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, DOI: 10.1007/s40996-020-00425-6.
Mosalman Yazdi, A. Hoseini A. Nazari, S. Amanian, N. (2020). Comparison of Downstream Scour of the Rectangular and Trapezoidal Piano Key Weirs. Journal of Hydraulics. Doe: 10.30482/JHYD.2020.227522.1453. (In Farsi)
Oertel, M. (2015). Discharge coefficients of piano key weirs from experimental and numerical models. 36th IAHR World Congress the Hague. Netherlands.
Ribeiro, M.L., Boillat, J.L., Schleiss, A., Laugier, F., and Albalat, C. (2007). Rehabilitation of St-Marc dam-experimental optimization of a piano key weir. Proc. of 32nd Congress of IAHR. Vince. Italy.
Roushangar, K. Majedi Asl, M. Alami, M.T, Shiri, J. (2018). Assessment of The effect of arc cycle angle on Discharge Coefficient of Arced Labyrinth Weirs and Piano Key Weirs. Iranian Journal of Soil and Water Research (IJSWR). Volume 49, Number 2, June and July, pp. 351-341. (In Farsi)
Roushangar K. Alami M. T. Shiri J. Majedi Asl, M. (2017). Determining discharge oefficient of labyrinth and arced labyrinth weirs using support vector machine. Hydrology Research. Available Online: 2017 Mar, nh2017214; DOI: 10.2166/nh.2017.214.
Safarzadeh, A. and Abbasi. S. (2019).  Convergence of Flow Layers at the Downstream of Trapezoidal Labyrinth Weir under a 15-degree Angle, in: 3th International Conf. on Applied Researches in Structural Eng and Construction Management. Sharif University of Technology., Iran.
Safarzadeh gendeshmin, A. Norouzi, B. (2014). Three Dimensional Hydrodynamics of Arced Piano Key Spillways. Journal of Hydraulics. Doe: 10.30482/JHYD.2014.10176. (in Farsi)
Seyed Javad, M.S. Omid Naeini, T. Sanei, M. (2019). Experimental study of discharge coefficient of a Trapezoidal Piano Key Side Weir. Journal of Hydraulics. Doe: 10.30482/JHYD.2019.152034.1332. (In Farsi)
Sheikh Kazemi, J. Sanei, M. Azhdari Moghadam, M. (2013). The first congress of Sustainable Agriculture and Natural Resources. Tehran. Mehr Arvand Higher Education Institute. Environmentalists Extension Group and Iranian Nature Conservation Association. (In Farsi)
Tullis, P. Amanian, N. and Waldron, D. (1995). Design of labyrinth weir spillways. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 121(3), Pp. 247-255.
Tullis, B. P. Crookeston, B. Brislin, J. Seamons, T. Stevens, D. (2020). Geometric Effects on Discharge Relationships for Labyrinth Weirs. Journal of Hydraulic Engineering, 146(10).
Vischer, D. L. and Hager, W. H. (1998). Dam Hydraulics. Wiley, Switzerland.