بررسی امواج عمود بر جریان ناشی از کشش ورتکس پشت موانع با قطرها و دبی های مختلف در کانالهای روباز با استفاده از مدل فیزیکی

چکیده: در بسیاری از مواقع مجموعه ای از موانع در مسیر حرکت آب قرار می گیرد. به عنوان نمونه هایی از این موانع می توان به پایه های پل در مسیر رودخانه، پایه های اسکله در دریا، وجود گیاهان و درختان در بستر رودخانه و پایه های هر سازه هیدرولیکی دیگر که در یک مجرای روباز قرار دارد، اشاره نمود. با عبور آب از بین این موانع استوانه ای، در پائین دست موانع ورتکس ایجاد شده و از همپوشانی ورتکس ایجاد شده از هر کدام از موانع، امواج سطحی که راستای انتشارشان عمود بر جهت جریان آب است، تشکیل می شود. این امواج عمود بر جریان بصورت امواج عرضی، خطی (با دامنه کم) و ایستا (که توسط دیواره های قائم فلوم آزمایشکاهی بطور کامل بازتاب می شود و انتقال جرمی را موجب نمی شود) طبقه بندی می شود. این امواج با حداکثر دامنه، زمانی شکل می گیرند که بسامد نیروی ناشی از ورتکس موانع با یکی از بسامدهای طبیعی نوسان آب در حالت دو سر باز برابر شود و تشدید صورت پذیرد. در این حالت تعداد صحیحی از گره ها در عرض فلوم جا می گیرند که تعداد آنها، همان نوع موج می باشد. مساله موج عمود بر جریان جز پدیده های بسیار جالب هیدرولیکی است که در حال حاضر کار پژوهشی در خصوص آن شروع شده است. ایجاد موانع در مسیر جریان بدلایل مختلف صورت می گیرد که می تواند استعداد ایجاد موج عمود بر جریان را فراهم نماید، لذا شناخت آن می تواند دلایل رویداد بسیاری از پدیده ها را روشن نماید. در مورد این پدیده کار تحقیقی مهمی صورت نگرفته، در حالی که از جهت مسائلی مانند پایداری ساختمانهای هیدرولیکی، فرسایش کناری و بستر و رسوبگذاری در بستر بسیار حائز اهمیت می باشد. روشن است که نتایج این تحقیقات می تواند ما را در کاستن آسیبهای این پدیده هدایت نماید. با شناخت بیشتر این پدیده همچنین می توان از آن در جهت های مثبت مانند تولید انرژی از ارتعاشات در حالت تشدید استفاده نمود. در این تحقیق در ابتدا مطالعاتی در رابطه با امواج عمود بر جریان ناشی از کشش ورتکس موانع استوانه ای در کانالهای روباز صورت پذیرفت، که این مطالب به صورت منظم و خلاصه در فصل دوم آورده شده است. سعی گردید با انجام بررسیها و مطالعه منابع مختلف و تحلیل مطالب مربوطه، منبع مطالعاتی مناسبی تهیه گردد. در این رابطه کتابها و مقالات مختلفی در زمینه های موج و ارتعاش، هیدرودینامیک جریان عبوری از موانع استوانه ای، کشش ورتکس و ارتعاش ناشی از ورتکس مورد مطالعه قرار گرفت. در زمینه امواج عمود بر جریان بوجود آمده بر اثر کشش ورتکس پشت موانع در کانالهای روباز کار تحقیقاتی جامع، کامل و مهمی در دنیا صورت نگرفته و در این رابطه تحقیقات مختلف و جامعی در مجاری بسته و در سیالاتی به غیر از آب صورت گرفته است. در سالهای اخیر تحقیقاتی در کانالهای روباز توسط زیما و همکاران، قمشی و همکاران و عزیزی انجام شده است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی امواج عمود بر جریان ناشی از کشش ورتکس پشت موانع با قطرها و دبی های مختلف در کانالهای روباز بوده است. در این تحقیق در مجموع 3304 آزمایش صورت پذیرفت که در 398 آزمایش، جریان بر روی موانع استوانه ای مستغرق بود. در این آزمایشات پارامترهای فواصل طولی و عرضی موانع، تراکم، قطر، دبی، آرایش موانع، عمق و سرعت جریان متغیر بود. در مجموع 166 نوع آزمایش وجود دارد که در آنها پارامترهای فواصل طولی و عرضی موانع، تراکم، قطر، دبی و آرایش موانع یکسان می باشد. در هر نوع آزمایش، با تغییر عمق و سرعت جریان به وسیله دریچه انتهایی فلوم، امواج مختلفی در عرض فلوم تشکیل شد، که حداکثر دامنه موج عرضی مشاهده شده در آزمایشات 40 درصد بوده است. در تحقیق حاضر با توجه به استفاده از قطرهای مختلف در دبیهای متغیر، ده نوع موج عرضی در فلوم مشاهده شد. قطر موانع از پارامترهای بسیار مهم و تاثیرگذار بر روی چگونگی شکل گیری امواج عمود بر جریان در کانالهای روباز می باشد، به همین منظور آزمایشات تحقیق با موانع با قطرهای مختلف صورت پذیرفت. برای انجام این تحقیق از موانع استوانه ای با چهار قطر مختلف به اندازه 4، 12، 25 و 42 میلیمتر استفاده شد و همین امر از عوامل بسیار مهم و تاثیر گذار بر روی شکل گیری ده نوع موج عرضی در فلوم بوده است. با گستردگی متغیرها، در برخی از حالات تشکیل امواج عرضی با حداکثر دامنه در حالت استغراق موانع نیز صورت پذیرفت. با کاهش در تعداد ردیفها در ابتدا، دامنه نسبی موج تقریبا تغییری ننمود ولی زمانی که تعداد ردیفها کمتر از یک مقدار مشخص گردید، دامنه نسبی موج شروع به کاهش نمود. این موضوع مهم نشان دهنده آن است که افزایش تعداد ردیفهای موانع از یک حدی، تاثیری بر روی دامنه نسبی امواج عمود بر جریان ناشی از ورتکس موانع ندارد. تعداد حداقل ردیفها در شرایط آزمایشات این تحقیق که در آن، تعداد ردیف موانع بر روی دامنه نسبی موج تاثیر گذار نیست، تعداد شش ردیف بدست آمد و با کمتر شدن تعداد ردیفها، دامنه نسبی موج کاهش می یابد. در انتها برای آزمایشاتی که در آنها تعداد ردیف موانع بر روی دامنه نسبی موج تاثیر گذار می باشد، رابطه ای ارائه شده است. پس از انجام آنالیز ابعادی و با استفاده از نرم افزاز spss و انجام تجزیه و تحلیلهای آماری رابطه ای جهت محاسبه دامنه نسبی ماکزیمم امواج عمود بر جریان ناشی از ورتکس مجموعه ای از موانع استوانه ای در کانالهای روباز بدست آمده است. مدل ارائه شده در تحقیق برای پیش بینی دامنه نسبی ماکزیمم امواج با استفاده از پارامترهای بدون بعد اندازه گیری شده در تحقیق حاضر که در ساخت مدل دخالت نداشته اند، مورد بررسی قرار گرفت که مدل ارائه شده پیش بینی نسبتا خوبی را دارا بود. با استفاده از نرم افزاز spss و انجام تجزیه و تحلیلهای آماری رابطه ای جهت محاسبه عدد استروهال مربوط به مجموعه ای از موانع استوانه ای در مسیر حرکت آّب در یک کانال روباز بدست آمده است. عدد استروهال بدست آمده می تواند، فرکانس نیروی تناوبی ناشی از ورتکس مجموعه ای از موانع استوانه ای را، در عبور آب از این موانع در کانالهای روباز پیش بینی نماید. مدل ارائه شده در تحقیق برای پیش بینی عدد استروهال با استفاده از پارامترهای بدون بعد اندازه گیری شده در تحقیق حاضر که در ساخت مدل دخالت نداشته اند، مورد بررسی قرار گرفت که این مدل نیز از پیش بینی نسبتا خوبی جهت محاسبه عدد استروهال در شرایط ذکر شده، برخوردار بود.