بررسی آزمایشگاهی تاثیر شکل کلاسترهای مختلف بر ضریب مقاومت جریان

چکیده سابقه و هدف: بررسی ضریب مقاومت در جریان‌ها به ویژه در جریان‌های آزاد، کانال‌ها و رودخانه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از عوامل تاثیر گذار بر مقاومت جریان شکل بستر در آبراهه‌ها می‌باشد. ریزساختار‌های کلاستری از جمله شکل‌های بستر در رودخانه‌های مناطق کوهستانی می‌باشند که از نظر بیولوژیک و همچنین هیدرولیک ریزجریان‌ها (جریان‌های ثانویه) حائز اهمیت هستند. مطالعه در زمینه شناخت و تاثیرات کلاستر‌ها در سرتاسر دنیا بسیار نوپا بوده است. هدف پژوهش حاضر بررسی آزمایشگاهی تاثیر شکل کلاستر و اندازه ذرات سازنده کلاسترها بر ضریب زبری جریان می‌باشد. مواد و روشها: برای بررسی تاثیر شکل و اندازه ذرات تشکیل دهنده کلاسترها، آزمایشهایی در یک کانال آزمایشگاهی به طول 20 متر، عرض6/0 متر و ارتفاع 6/0 متر انجام گرفت. با استفاده از ذرات سنگریزه با سه اندازه متفاوت 5/9، 5/12، 5/15 میلی‌متری درفلوم آزمایشگاهی، کلاسترهای با شکل‌های کپه‌ای، خطی و حلقه‌ای ساخته و مورد بررسی قرار گرفتند. دو ضریب زبری دارسی ویسباخ و مانینگ با استفاده از اندازه گیری شیب سطح آب محاسبه گردیدند. یافته‌ها: نتایج پژوهش حاضر نشان داد که کلاسترهای خطی شکل دارای کمترین تاثیر بر میزان ضریب مقاومت جریان هستند. کلاسترهای حلقه‌ای و کپه‌ای دارای ضریب زبری بیشتری نسبت به کلاستر خطی هستند لیکن هر دو تقریبا دارای تاثیر یکسانی بر مقاومت جریان هستند. نتایج این دو شکل از کلاستر، برای ذرات 5/9 و 5/12 میلی‌متری بسیار نزدیک به هم بوده ولی برای ذرات 5/15 میلی‌متری ضریب زبری کلاستر کپه‌ای بالاتر از ضریب زبری اشکال دیگر است. همچنین با افزایش قطر ذرات سنگریزه سازنده کلاسترها میزان ضریب زبری مانینگ افزایش پیدا می‌کند. با انجام آزمایش‌ها با ذرات سنگریزه با قطرهای مختلف، درصد تغیرات ضریب زبری نسبت به حالت بدون کلاستر برای کلاستر کپه‌ای در ذرات 5/9، 5/12 و 5/15 میلی‌متر به ترتیب 47، 52 و 75 بوده است. برای کلاسترهای حلقه‌ای شکل و ذرات5/9، 5/12و 5/15 میلی‌متری درصد تغییرات به ترتیب 48، 49 و 75درصد بدست آمدند و این درصد برای کلاسترهای خطی شکل برای ذرات 5/9 میلی‌متری19 درصد و ذرات 5/12 و 5/15میلی‌متری به ترتیب 37 و 67درصد مشاهده شدند که نشان دهنده افزایش مقاومت جریان با افزایش اندازه قطر ذرات است. همچنین نتایج نشان داد که در آزمایش‌ها افزایش عدد فرود موجب کاهش ضریب زبری می‌گردد. نتیجه‌گیری: نتایج بدست آمده از آزمایش‌ها این نکته را به خوبی روشن ساخت که بسترهای کلاستری با اثر گذاری بر روی جریان باعث افزایش ضریب مقاومت می‌گردد. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که کلاسترهای کپه‌ای دارای بیشترین اثر بر مقاومت جریان هستند.