بررسی اثر شکل بهینه و فاصله ی نصب صفحات مستغرق بر الگوی رسوب در بستر کانال

تکنیک صفحات مستغرق یکی از روش های موثر مدیریت رسوبات بار بستر در رودخانه ها و مجاری آبرفتی می باشد. صفحات مستغرق به صورت قائم و با زاویه ای کم نسبت به جریان نزدیک شونده، در بستر رودخانه نصب می شوند. یک صفحه ی مستغرق در واقع یک مولد جریان های ثانوی است. جریان های ثانوی در نتیجه ی گرادیان قائم فشار در طرفین صفحه ی مستغرق و توزیع غیریکنواخت سرعت جریان در امتداد قائم به وجود می آیند و موجب شکل گیری یک جریان چرخشی (جریان حلزونی) در پایین دست صفحه می شوند. جریان چرخشی حاصل از صفحه ی مستغرق سبب اصلاح الگوی جریان نزدیک بستر و تنش برشی بستر شده و در نهایت موجب تغییر الگوی توزیع عرضی رسوبات در میدان تحت تأثیر صفحه می گردد. عوامل مختلفی بر عملکرد صفحات مستغرق تأثیر می گذارند که اصلاح و بهینه سازی این عوامل موجب افزایش عملکرد و کارایی صفحات می گردد. شکل صفحات نیز یکی از عواملی است که اصلاح و بهینه سازی آن می تواند موجب افزایش قدرت جریان چرخشی ناشی از صفحات و افزایش عملکرد صفحات و همچنین موجب کاهش محدودیت های استفاده از صفحات گردد. تاکنون در اغلب تحقیقات آزمایشگاهی و میدانی عمدتاً صفحات مستطیلی ساده مورد استفاده قرار گرفته است. تئوری صفحات مستغرق بر تئوری ایرفویل بنا نهاده شده است. بنابراین در تحقیق حاضر با فرض این که کوچک ترین تغییر در شکل ظاهری صفحات موجب تغییر نیروهای هیدرودینامیکی ناشی از صفحات می گردد؛ تأثیر صفحات با شکل های مختلف بر آب شستگی موضعی پیرامون صفحات و رسوب گذاری در پایین دست صفحات، و نیز بر الگوی جریان های ثانوی ناشی از صفحات مورد ارزیابی قرار گرفته است. در تحقیق حاضر از یک مدل فیزیکی آزمایشگاهی استفاده شده است. رسوبات مورد استفاده، ماسه ی طبیعی با قطر متوسط 5/0 میلی متر و ضخامت بستر رسوبی در فلوم آزمایشگاهی به طور یکنواخت 10 سانتی متر بود. در این تحقیق دو سری از صفحات مورد بررسی قرار گرفتند. صفحات سری a و صفحات سری b. در صفحات سری a، تأثیر ایجاد برش (با زوایای 30، 45 و 60 درجه نسبت به امتداد قائم) در لبه ی ابتدایی صفحات بر آب شستگی موضعی و الگوی رسوب گذاری در پایین دست صفحات مورد بررسی قرار گرفت. در صفحات سری b، اثرات تغییر ضخامت، گردشدگی لبه ی ابتدایی و انحنای لبه ی انتهایی صفحات مورد مطالعه قرار گرفت. آزمایش ها در شدت های جریان (u/uc) 78/0، 93/0، 10/1 و 19/1 انجام شد. در تمام آزمایش ها عمق متوسط جریان در بالادست صفحات 25 سانتی متر، و زاویه ی نصب صفحات در تمام حالات 20 درجه بود. صفحات نوع a به طور منفرد و صفحات نوع b به صورت سیستمی متشکل از سه ردیف با یک صفحه در هر ردیف مورد ارزیابی قرار - چکیده گرفته اند. مقایسه ی عملکرد صفحات با استفاده از داده های توپوگرافی بستر رسوبی و نیز داده های سرعت جریان صورت گرفت. برای برداشت توپوگرافی بستر رسوبی از عمق یاب لیزری (ldm) و برای اندازه گیری مولفه های سه بعدی جریان از سرعت سنج الکترومغناطیس (evm) استفاده شد. به منظور تکمیل نتایج حاصل از مدل فیزیکی، از شبیه سازی عددی با مدل ریاضی flow-3d نیز بهره گرفته شد. نتایج حاصل از تحقیق بر روی صفحات سری a نشان می دهد که برش لبه ی ابتدایی صفحات در کاهش عمق آب شستگی پیرامون صفحات موثر می باشد و با افزایش زاویه ی برش، عمق آب شستگی و ابعاد چاله ی فرسایشی کاهش می یابد. بیش ترین کاهش عمق آبشستگی در لبه ی ابتدایی صفحات، در برش 60 درجه ی صفحات مشاهده شد. مقدار کاهش عمق آب شستگی نسبت به صفحه ی مستطیلی اولیه، به ترتیب 41%، 48%، برای شدت های جریان (u/uc) 78/0، 93/0 حاصل شد. در 19/1 = u/uc عمق آب شستگی در لبه ی ابتدایی صفحه تقریباً به صفر می رسد. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی صفحات سری a نشان می دهد که ایجاد برش در لبه ی ابتدایی صفحات، در کاهش مولفه های منفی سرعت در محل لبه ی ابتدایی صفحات موثر بوده است؛ بر اساس محاسبات گشتاور اندازه ی حرکت، بریدگی های لبه ی ابتدایی صفحات موجب کاهش عملکرد صفحات، و به عبارت دیگر سبب کاهش طول میدان تحت تأثیر صفحات می شود. کاهش عملکرد صفحاتِ برش خورده به اِزای ? = 30، 45 و 60 درجه، به ترتیب به میزان 7/3 درصد، 3/6 درصد، و 1/15 درصد نسبت به صفحه ی مستطیلی پایه می باشد؛ با این وجود محاسبات کمیت کارایی نشان می هد که بازده صفحات برش خورده (نسبت به صفحه ی مستطیلی ساده) به ازای ? = ?30، ?45 و ?60، به ترتیب 4/5 درصد، 2/10 درصد، و 7/14 درصد افزایش یافته است. بنابراین چنان چه از برش لبه ی ابتدایی صفحات به عنوان راهکاری جهت کاهش آب شستگی موضعی پیرامون صفحات استفاده شود، در هنگام طراحی سیستم صفحات، نباید فاصله ی طولی بین ردیف ها (?s) مقادیر بزرگی انتخاب شود تا هم پوشانی جریان های چرخشی ناشی از صفحات حفظ گردد، که این امر در جهت اطمینان می باشد. نتایج حاصل از تحقیق بر روی صفحات سری b نشان می دهد که صفحه با لبه ی ابتدایی گرد شده و ضخامت کاهش یافته در امتداد طول صفحه، نسبت به صفحه ی مستطیلی پایه، بهترین عملکرد را در کاهش آب شستگی موضعی (به میزان 3/17، 3/12، 1/6 و 8/45 درصد به ترتیب در شدت های جریان 78/0، 93/0، 10/1 و 19/1) داشته است. همچنین صفحه ی مذکور بیش ترین رسوب گذاری را نیز در سمت پرفشار صفحات موجب شده است. تأثیر طول نصب صفحات بر قدرت جریان های چرخشی، با استفاده از مدل عددی بررسی شد. نتایج بررسی ها نشان داد که فاصله ی ho5 = ?s حد پایین فاصله ی طولی نصب صفحات است و در فواصل ho5 ? ?s گشتاور اندازه ی حرکت (mom) جریان چرخشی در حدفاصل بین صفحات صفر می باشد. ho8 = ?s فاصله ی بهینه ای است که به اِزای آن حداکثر هم پوشانی و حداکثر قدرت جریان چرخشی ایجاد می شود. در فواصل بزرگ تر بعدی (ho10، ho12 و ...) mom مجدداً رو به کاهش می گذارد تا جایی که هر صفحه به صورت مستقل عمل می نماید و هم پوشانی بین جریان چرخشی ناشی از صفحات از بین می رود.