دانلود مقاله طراحی هیدرولیکی سرریزهای کنگره‌ای

اختصاصی از فی لوو دانلود مقاله طراحی هیدرولیکی سرریزهای کنگره‌ای دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

چکیده

سرریزهای کنگره‌‌ای یکی از انواع خاص سرریزها می‌باشند که به دلیل وجود شکستگی در پلان آنها باعث افزایش طول موثر سرریز در یک طول مستقیم می‌شوند. اخیراً مطالعات زیادی روی این سرریزها صورت گرفته است که همگی در جهت جهت ارائه روابطی برای طراحی بهینه آنها می‌باشد. آنچه که در اینجا بدان پرداخته می‌شود، ارائه یک روش جهت طراحی هیدرولیکی این سرریزها می‌باشد.

مقدمه
سرریزهای کنگره‌ای سرریزهایی هستند که تاج آنها در پلان به صورت خطوط شکسته می‌باشد. بنابراین دارای طول مؤثر بیشتری نسبت به سرریزهای با تاج مستقیم می‌باشند. در شکل (1) پلان و مقطع تیپ این سرریزها مشخص شده است. همچنین نمونه‌ای از این سرریزها در شکل (2) نشان داده شده است. از مزیتهای سرریزهای کنگره‌ای نسبت به سرریزهای مستقیم می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
1- طول موثر سرریزهای کنگره‌ای 3 تا 5 برابر سرریزهای استاندارد در یک طول مستقیم می‌باشد.
2- ظرفیت آبگذری این سرریزها حدوداً دو برابر سرریزهای استاندارد مستقیم است.
3- با استفاده از قدرت تخلیه بالای این سرریزها می‌توان در حالت مشابه ارتفاع تاج سرریز را افزایش داد و یا عرض سرریز را در یک رقوم ثابت کوچکتر انتخاب نمود.
پارامترهایی که باید در طراحی سرریزهای جانبی مدنظر قرار گیرند عبارتند از: طول و عرض سرریز کنگره‌ای، ارتفاع تاج، زاویه شکستگی تاج در پلان، تعداد سیکلهای شکستگی و تعداد دیگری از متغیرهایی که ارای اهمیت کمتری هستند؛ مانند ضخامت دیواره، شکل تاج و شکل پیشانی سرریز.
Taylor (1968) تحقیقات زیادی بر روی رفتار سرریزهای کنگره‌ای انجام داد. تنایج او بر پایه بررسی نسبت دبی عبوری از سرریز کنگره‌ای به دبی عبوری از سرریز استاندارد لبه تیز که دارای عرض کانال یکسان هستند، استوار بود. در ادامه این تحقیقات Hay & Taylor (1970) با استفاده از نتایج بدست آمده ضوابطی برای طراحی این سرریزها منتشر کردند.

شکل (1) پلان و مقطع تیپ و سایر جزئیات یک سرریز کنگره‌ای
مطالعات آزمایشگاهی زیادی توسط اشخاص مختلف برای بررسی سرریزهای کنگره‌ای صورت گرفت، به عنوان مثال Darvas (1971) با استفاده از نتایج آزمایشگاهی یک خانواده منحنی یرای طراحی این سرریزها پیشنهاد نمود. همچنین تحقیقاتی نیز توسط موسسه USBR در دهه 80 انجام شده است. در تمامی تحقیقات صورت گرفته، هدف ارائه یک روش مناسب جهت طراحی این سرریزها بوده است.
در آزمایشگاه تحقیقات آب یوتا نیز آزمایشهایی برای تعیین ضریب آبگذری سرریزهای کنگره‌ای انجام شده است (Amanian 1987, Baasiri et al. 1992, Waldron 1994). هرکدام از این محققین سرریز مشابهی با اشکال مختلف تاج (لبه تیز، مسطح، وجه بالادست گردشده با ربع دایره و نیم دایره) با عرض یک متر را در یک فلوم آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار دادند. آزمایشها با نسبتهای متفاوت Ht/P (بین 05/0 تا یک) و زوایای شکستگی 6 تا 35 درجه انجام شد. همچنین در این آزمایشها سرریزهای استفاده شده mm152 ارتفاع و mm4/25 ضخامت داشتند. اندازه‌گیریها با دقت بسیار بالا انجام گرفت، به عنوان مثال تراز مخزن با دقت دهم میلیمتر اندازه‌گیری شده است. در نهایت نتایج نهایی آزمایشها یک روش مناسب برای طراحی این سرریزها ارائه شده است که بر پایه هندسه تاج سرریز می‌باشد. در این مقاله خلاصه‌ای از نتایج تحقیقات آزمایشگاهی J. Poul Tullis و دکتر امانیان در آزمایشگاه تحقیقات آب یوتا در سال 1995 و روش پیشنهادی آنها برای طراحی سرریزهای کنگره‌ای ارائه شده است.

شکل (2) نمایی از یک سرریز کنگره‌ای اجرا شده در طبیعت، سد Ute در New Mexico آمریکا
رابطه آبگذری سرریزها
همانطور که می‌دانیم رابطه مهم زیر بین دبی عبوری و هد مخزن در سرریزها ازجمله سرریزهای کنگره‌ای برقرار است:
(1)
در این رابطه L طول موثر سرریز، Cd ضریب آبگذری سرریز، g شتاب جاذبه و Ht هد کل روی سرریز می باشد. هد کل عموماً اختلاف رقوم مخزن (جایی که سرعت جریان در آن تقریباً صفر است) و تاج سرریز در نظر می‌گیرند. در جایی که انرژی سرعت جریان قابل صرفنظر کردن نمی‌باشد باید آنرا در محاسبه هد کل به اختلاف رقوم سطح آب مخزن و تاج سرریز اضافه نمود.
برای یک سرریز آزاد استاندارد با کانال ورودی عادی و بدون تنگ شدگی، طول موثر همان طول تاج سرریز است. در این سرریزها ضریب آبگذری سرریز (Cd) به نسبت Ht/P، ضخامت سرریز (t)، شکل تاج سرریز و هوادهی جریان پشت سرریز بستگی دارد. شکل (3) نشان دهنده تغییرات ضریب آبگذری نسبت به Ht/P و مقایسه نتایج محققین مختلف می‌باشد. نتایج برای یک سرریز هوادهی شده، با نسبت 6/1 t/P = که وجه بالادست آن بوسیله ربع دایره‌ای به شعاع 12/P گرد شده است، بدست آمده است (Amanian 1987, Baasiri et al. 1992, Waldron 1994).

شکل (3) ضریب آبگذری سرریز استاندارد
برای یک سرریز کنگره‌ای طول موثری که باید بکار برده شود در شکل (1) نشان داده شده است. ضریب آبگذری در این سرریزها همان پارامترهای مطرح شده برای سرریزهای استاندارد به اضافه شکل سرریز و پیشانی آن و زاویه شکستگی سرریز می باشند.
پارامترهای موثر در ضریب آبگذری
ارتفاع سرریز، ضخامت و شکل تاج تاثیر مهمی در روی ضریب آبگذری سرریز دارند. (Amanian 1987). همانطور که در شکل (1) مشاهده می شود، چهار گزینه عمده برای شکل تاج سرریز وجود دارد که عبارتند از: لبه تیز، مسطح، وجه بالادست گردشده با ربع دایره، و نیم دایره.
ضخامت دیواره که با استفاده از آنالیز سازه‌ه‌ای بدست می‌آید به ارتفاع تاج سرریز از کف کانال تقرب (P)، نیروی هیدرواستاتیک پشت آن، نیروی یخ، موج حاصل از باد و نیز سایر شرایط ویژه محلی بستگی دارد. جهت حفظ پایداری سرریز ترجیح داده می شود که در پایین‌دست از پشت‌بند استفاده شود که البته تاثیری در ضریب آبگذری ندارد. شعاع خم بالادست تاج سرریز نیز توسط دکتر امانیان (1987) 12/P پیشنهاد شده است.
شکلهای نوک تیز و صاف برای تاج سرریز کنگره‌ای چندان مناسب نمی‌باشند زیرا اندازه‌گیریها نشان داده است که ضریب آبگذری در این حالت کمتر از حالتی است که تاج سرریز با شعاعی از دایره گرد شده است. به نظر می‌رسد مناسبترین شکل تاج ربع دایره در وجه بالادست باشد (دکتر امانیان 1987)، گرچه در رقومهای پایین مخزن (5/0Ht/P < ) شکل ربع دایره دارای ضریب آبگذری پایین‌تری نسبت به نیم دایره می باشد، ولی در هدهای بالا ضریب Cd برای شکل ربع دایره تاج بیشتر از نیم دایره است. همچنین ساخت شکل نیم دایره راحتتر از ربع دایره می‌باشد. بنابراین در روش طراحی پیشنهاد شده شکل ربع دایره برای تاج سرریز با در نظرگرفته شده است و شعاع آن برابر 12/P و ضخامت سرریز 6/P (در قسمت بالای سرریز) فرض شده است. اگر ضخامت سرریز به دلایل سازه‌ای بشتر در نظر گرفته شود، تاثیر کمی در آبگذری سرریز خواهد داشت. کاهش ضخامت سرریز نیز باعث کاهش شعاع ربع دایره و در نتیجه بوجود آمدن جدایی جریان در ورودی سرریز و به تبع آن کاهش آبگذری سرریز خواهد شد.
ارتفاع سرریز اختلاف ارتفاع تاج سرریز و کف کانال ورودی می‌باشد که روی افت جریان در کانال ورودی و ظرفیت سرریز موثر است. ضریب Cd با P نسبت عکس دارد؛ همانطور که در شکل (3) مشاهده می‌گردد برای مقادیر بزرگ Ht/P ضریب Cd به یک مقدار ماکزیمم رسیده و تقریباً ثابت می‌شود. برای یک سرریز کنگره‌ای با افزایش هد ضریب Cd کاهش می‌یابد زیرا با افزایش هد کل از طول موثر سرریز به دلیل برخورد خطوط جریان مقابل هم به یکدیگر، کاسته می‌شود. بنابراین باید برای سرریز کنگره‌ای محدوده‌ای مناسب برای مقدار Ht/P تعریف شود. Tullis و دکتر امانیان ماکزیمم مقدار نسبت فوق را حدود 9/0 پیشنهاد می‌کنند، تا این مقدار سرریز کنگره‌ای آبگذری مناسبی خواهد داشت و پس از آن با کاهش شدید مقدار Cd مواجه خواهیم شد.
عرض پیشانی سرریز که توسط پارامتر A در شکل (1) مشخص شده است نیز روی ظرفیت سرریز موثر است، این پارامتر باعث کاهش طول خالص سرریز شده و ظرفیت سرریز را کاهش می‌دهد. عرض پیشانی تا حد ممکن باید کم باشد، عموماً مقدار این پارامتر بین t تا t2 توصیه می‌شود.
سرریز کنگره‌ای روی یک اپرون با یک تراز ثابت قرار می‌گیرد و بالادست و پایین‌دست آن باید در یک رقوم مساوی قرار داشته باشند. برای جلوگیری از اثرات ناشی از استغراق جریان در پایین دست باید از نوع فوق بحرانی باشد، برای این منظور باید شیب پایین‌دست (یا لااقل قسمت ابتدایی آن) تند بوده تا از استقراق سرریز در دبیهای بالا جلوگیری شود.
بسته به شکل کانال ورودی و نحوه قرارگیری سرریز، خطوط جریان در کانال ورودی نباید بر محور سرریز کنگره‌ای عمود باشند، نتایج بررسیها نشان می‌دهد که اگر زاویه خطوط جریان با محور سرریز β باشد برای مقادیر 15، 30 و 45 درجه برای β درصد کاهش آبگذری سرریز به ترتیب 1%، 4% و 6% خواهد بود (دکتر امانیان 1987). با این وجود اگر زاویه β کمتر از 15 درجه باشد، تاثیر بر روی ظرفیت سرریز قابل صرفنظر کردن است. اگر شرایط کانال ورودی غیرعادی باشد، ساخت مدل فیزیکی برای بررسی بیشتر توصیه شده است. در روش طراحی پیشنهاد شده در این مقاله 0= β در نظر گرفته شده است.
تحقیقات انجام شده روی سرریزهای مستقیم نشان داده است که هوادهی لبه زیرین جریان بعد از سرریز روی Cd تاثیرگذار است. وقتی که جریان هوادهی می شود، فشار پشت سرریز در حد فشار اتمسفر بوده و ضریب آبگذری حداقل می‌باشد. هوادهی سرریزهای مستقیم برای Ht/P کمتر از حدود 7/0 راحت است، اولین هدف هوادهی در سرریزهای مستقیم کاهش لرزشهای ناشی از تغییرات فشار در پشت سرریز می‌باشد. نتایج نشان داده شده در شکل (3) برای سرریزی است که کاملاً هوادهی شده است، استفاده از این نتایج برای طراحی در حالتهایی که ما از هوادهی جریان بعد از سرریز مطمئن نیستیم ما را در محدوده اطمینان قرار می دهد؛ زیرا اگر جریان هوادهی نشود، ضریب آبگذری سرریز بیش از آنچه خواهد بود که در طراحی (شکل 3) لحاظ شده
است (دکتر امانیان 1987، Waldron 1994). ضریب Cd برای سرریز بدون هوادهی در مقادیر کوچک Ht/P می‌تواند اندکی بیش از 75/0 باشد.
با فرض یک شکل ثابت برای تاج سرریز و هوادهی جریان پایین‌دست آن، مقدار ضریب آبگذری Cd برای سرریز کنگره‌ای نمی‌تواند بیش از آنچه که در شکل (3) برای سرریزهای مستقیم نشان داده شده است، باشد. نتایج برخی تحقیقات نشان می‌دهد که این ضریب برای مقادیر کوچک Ht/P می‌تواند از 75/0 تجاوز کند، این مقادیر برای سرریزهای مستقیم بالاتر از منحنی نشان داده شده در شکل (3) قرار می‌گیرند ( البته در حالتی که جریان هوادهی نشده باشد). در این حالت روی تاج سرریز فشار منفی بوجود می‌آید. اگر مقدار Ht/P بین 1/0 تا 2/0 باشد، روی تاج سرریز کنگره‌ای مقدار کمی فشار منفی بوجود می‌آید که باعث افزایش ضریب Cd می‌گردد. البته برای اینکه آبگذری سرریز در مقادیر کوچک مقادیر Ht/P دقیقاً مشخص شود ساخت و مطالعه مدل فیزیکی توصیه می‌گردد.
مهمترین قسمت مطالعات انجام شده در مرکز تحقیقات آب یوتا، تعیین ضریب Cd سرریز برای محدوده تغییرات تمامی پارامترهای مورد مطالعه بوده است. نتایج در شکل (4) برای زوایای مختلف شکستگی سرریز نشان داده شده است. همچنین روابط (2) تا (9) برای زوایای مختلف ارائه شده است.(Amanian 1987, Baasiri et al. 1992, Tullis 1993, Waldron 1994)
معادلات زیر برای عرض پیشانی t ≤ A ≤ 2t ؛ 9/0< Ht/P؛ P/6 t ≈؛ شکل تاج سرریز دو وجه بالادست بصورت ربع دایره با شعاع 12/P ارائه شده است. اگر Ht/P برابر y فرض شود:
(2) برای 60=α Cd= 0.49 - 0.24 y - 1.20 y2 + 2.17 y3 – 1.03 y4
(3) برای 80=α Cd= 0.49 + 1.08 y – 5.27 y2 + 6.79 y3 – 2.83 y4
(4) برای 120=α Cd= 0.49 + 1.06 y – 4.43 y2 + 5.18 y3 – 1.97 y4
(5) برای 150=α Cd= 0.49 + 1.00 y – 3.57 y2 + 3.82 y3 – 1.38 y4
(6) برای 180=α Cd= 0.49 + 1.32 y –4.13 y2 + 4.24 y3 – 1.50 y4
(7) برای 250=α Cd= 0.49 + 1.51 y – 3.83 y2 + 3.40 y3 – 1.05 y4
(8) برای 350=α Cd= 0.49 + 1.69 y – 4.05 y2 + 3.62 y3 – 1.10 y4
(9) برای 900=α و y < 0.7 Cd= 0.49 + 1.46 y – 2.56 y2 + 1.44 y3

روابط (2) تا (9) و نتایج آزمایشگاهی در شکل (4) نشان داده شده است. ضریب Cd تغییرات چندانی با تغییرات کوچک α ندارد بنابراین هرکدام از این معادلات می‌توانند در مقادیر α نزدیک به مقدار نشان داده شده برای هر معادله، بکار روند. برای تفاوتهای بیش از یک درجه بهتر است منحنی برازش جدیدی به نتایج بدست آید یا اینکه نتایج برای زاویه شکستگی مورد نظر درون‌یابی شود. آنالیزهای انجام شده نشان می‌دهد که برای زوایای 6 تا 18 درجه، انحراف استاندارد نقاط آزمایشگاهی از منحنی برازش یافته کمتر از 3 درصد با حداثر تفاوت 7 درصد است. بنابراین روابط (2) تا (6) دقت مناسبی برای 9/0 ≤ Ht/P ≤ 1/0 دارند. آزمایشها برای Ht/P بیش از 9/0 انجام نشده است زیرا وضعیت سرریز با افزایش بیش از حد ارتفاع آب روی آن، وضعیت مطلوبی نداشته است. همچنین در مقادیر کوچکتر از 1/0 نیز اندازه‌گیریها بسیار مشکل می‌باشد. برای زوایای 25 و 35 درجه نتایج دارای دقت پایین‌تری (در حدود 10 درصد) می‌باشند، زیرا درون‌یابی از روی اطلاعات آزمایشگاهی شکل دیکری از تاج سرریز انجام شده است. به همین دلیل نقاط اندازه‌گیری شده روی شکل نشان داده نشده است.

شکل (4) ضریب آبگذری سرریز برای سرریزهای کنگره‌ای
روش طراحی پیشنهادی
روش طراحی پیشنهاد شده با یک مثال ارائه می‌شود که از نتایج مطالعات مدل هیدرولیکی سرریز کنگره‌ای Standley Lake در نزدیکی Denver استفاده می‌کند. این مدل در مرکز تحقیقات آب یوتا ساخته شده است (Tullis 1993). در جدول شماره (1) محاسبات طراحی را در یک صفحه گسترده (مانند نرم‌افزار Excel) نشان می‌دهد.
در قسمت اول این جدول، اطلاعات ورودی مانند ماکزیمم دبی عبوری از روی سرریز، رقوم مخزن در تراز نرمال (تاج سرریز) و تراز حداکثر (نظیر دبی حداکثر) را شامل می‌شود.
قسمت دوم جدول اطلاعاتی هستند که باید فرض شوند؛ نظیر افت کانال ورودی در دبی ماکزیمم، تعداد سیکلهای سرریز کنگره‌ای، ارتفاع سرریز و زاویه شکستگی.
قسمت سوم جدول جزئیات طراحی را شامل می‌شود. ضوابط و محدودیتهای هر پارامتر در مقابل آن نشان داده شده است. در انتهای جدول نیز یک تحلیل اقتصادی اولیه بر پایه حجم بتن‌ریزی انجام شده است.

جدول (1) صفحه گسترده پیشنهادی برای طراحی سرریز کنگره‌ای
زاویه α تاثیر مهمی روی ظرفیت سرریز و جانمایی آن دارد. جدول شماره (2) محاسبه عرض سرریز را به ازای مقادیر مختلف این پارامتر در شرایطی که دبی 1538 متر مکعب بر ثانیه، 05/3=p ، 975/1 = Ht نشان می‌دهد. برای اینکه عرض کل سرریز ثابت بماند، به ناچار تعداد سیکلها متغیر فرض شده است. زاویه شکستگی هم روی شکل و هم روی اقتصاد طرح تاثیر زیادی دارد. جدول (2) نشان می‌دهد محدوده بهینه برای زاویه α با حداقل شدن W (عرض کل سرریز) حاصل می‌شود و برای یک دبی و طول اپرن (B) مشخص، بین 7 تا 16 درجه است، در خارج این محدوده عرض افزایش می‌یابد. طول کلی سرریز و دیواره‌های آن اغلب یک فاکتور تاثیرگذار در اقتصاد طرح می‌باشد. همانطور در جدول (2) مشاهده می‌شود با افزایش با α، طول سرریز کاهش می‌یابد.
با افزایش α با وجود اینکه ضریب آبگذری افزایش می‌یابد ولی از مقدار ظرفیت سرریز کاسته می‌شود؛ زیرا طول موثر سرریز کاهش چشمگیری دارد (جدول 2). بوسیله روابط 0(2) تا (9) می‌توان منحنی آبگذری سرریز را برای رقومهای مختلف مخزن رسم نمود. نتایج نشان می‌دهند که در رقومهای پایین مخزن، ظرفیت سرریز بطور قابل توجهی با کاهش α افزایش می‌یابد.

جدول (2) تاثیر زاویه شکستگی سرریز کنگره‌ای روی عرض آن
پارامتر مهم دیگری که روی شکل کلی سرریز تاثیر دارد تعداد سیکلها (N) می‌باشد.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله  17  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید