بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی در شرایط بستر زبر با استفاده از مدل فیزیکی

سابقه و هدف: پرش هیدرولیکی یا پرش آبی، یکی از انواع جریان‏های متغیر سریع است و چنانچه آب در قسمتی از مسیر دارای شرایط فوق بحرانی باشد و بنا به موقعیت خاص کانال بخواهد به شرایط زیربحرانی تغییر رژیم دهد، لازم است عمق جریان در مسیر نسبتاً کوتاهی به میزان قابل ‏توجهی افزایش یافته و در نتیجه با استهلاک انرژی محسوسی روبرو خواهد شد. تاکنون مطالعات زیادی به منظور بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی روی بسترهایی با زبری‏هایی با اشکال مختلف انجام شده است. از جمله: غزالی و همکاران (2010) به بررسی تأثیر زبری‏های مثلثی کف حوضچه آرامش بر مشخصات پرش هیدرولیکی پرداختند. نتایج نشان داد که عمق پایاب و طول پرش روی بسترهای موج‏دار مثلثی نسبت به بستر صاف به ترتیب 25 و 7/54 درصد کاهش یافته است و ضریب تنش برشی در بستر زبر به طور متوسط 5/8 برابر بستر صاف است. یکی از راه‏کارهایی که می‏تواند جایگزین بلوک‏های کف شود ایجاد زبری در بستر جریان است. هم‏چنین صمدی‏بروجنی (2013) پارامترهای پرش هیدرولیکی برای شش بستر موج‏دار مثلثی را مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان داد که بستر موج‏دار در مقایسه با بستر صاف موجب کاهش 25 درصدی عمق مزدوج و کاهش 7/54 درصدی طول پرش می‏گردد و ضریب تنش برشی بستر موج‏دار 5/8 برابر بستر صاف محاسبه شد. در تحقیق حاضر مشخصات پرش هیدرولیکی در شرایط بستر زبر با استفاده از مدل فیزیکی مورد مطالعه قرار گرفته است.‏ اهداف انجام این پژوهش شامل: بررسی تأثیر قطر متوسط ذرات در شرایط زبری طبیعی بستر بر نسبت عمق ثانویه به اولیه، استهلاک انرژی نسبی پرش هیدرولیکی، ضریب نیروی برشی، مقایسه نتایج آزمایشگاهی حاضر با نتایج سایر تحقیقات مشابه بر روی انواع بسترهای زبر و نهایتاً ارایه روابطی برای هر یک از موارد فوق بوده است. مواد و روش‏ها: در این تحقیق مشخصات پرش هیدرولیکی روی بستر زبر طبیعی با ذرات دانه‌بندی شده و قطر متوسط 75/4، 55/3، 18/2، 59/1 و 74/0 میلی‏متر و محدوده عدد فرود 5/3 تا 5/4 در فلوم افقی مستطیلی به طول 5 متر، عرض 075/0 متر و ارتفاع 175/0 متر انجام شد. جهت ایجاد پرش هیدرولیکی از سرریز اوجی به ارتفاع 12/0 متر استفاده شد طوری که بسترهای زبر در پایین دست این سرریز قرار گیرند. برای آنالیز ابعادی بعد از شناسایی پارامترهای مؤثر بر مشخصات پرش هیدرولیکی اعداد بدون بعد با استفاده از تئوری پی باکینگهام استخراج گردید. یافته‏ها: عمق نسبی، استهلاک انرژی نسبی پرش و ضریب نیروی برشی به صورت تابعی از عدد فرود به‏دست آمد. نتایج نشان می‏دهد که تفاوت معنی‏داری میان کلیه زبری‌های مورد مطالعه با مقادیر متفاوت ارتفاع نسبی زبری، از لحاظ تأثیری که بر کاهش میزان عمق نسبی، افزایش میزان استهلاک انرژی نسبی و افزایش نیروی برشی دارند وجود نداشته است اما اثر این مقادیر زبری در مقایسه با بستر صاف قابل ملاحظه می‏باشد. نتیجه‏گیری: نتایج نشان داد که بستر زبر نسبت به بستر صاف به طور میانگین عمق نسبی پرش را 7/ 56 درصد کاهش می‏دهد و استهلاک انرژی نسبی 69 و نیروی برشی 6/2 درصد افزایش می‏یابد. از طرفی مقایسه نتایج آزمایشگاهی حاضر با نتایج سایر تحقیقات مشابه بر روی انواع بسترهای زبر نشان می‏دهد که نمودار حاصل از نقاط برازش داده شده منحنی ∆E /E_1 نسبت به عدد فرود، بر منحنی برازش مطالعه صمدی بروجنی 2013 بر بستر مثلثی منطبق می‏باشد و تغییرات میزان ضریب نیروی برشی و عمق نسبی پرش در محدوده عدد فرود مذکور روند افزایشی خواهد داشت که بیانگر مطابقت نتایج می‏باشد.