بررسی برهمکنش هندسه تلماسه بر ساختار جریان و طول ناحیه جدایی

مقدمه یکی از اهداف مهندسی رودخانه، برنامه ریزی، طراحی و ساخت سازه هایی در مسیر رودخانه به منظور بهینه سازی در کاربرد و توسعه منابع آب است. از جمله مباحث مهم در مهندسی رودخانه، شناخت شکل رودخانه و تغییرات بستر آن هاست که در قالب علم مرفولوژی رودخانه بررسی می شود. در سال های اخیر مطالعه شکل های بستر در رودخانه های شنی و برهم کنش آنها با ساختار جریان و اثر آنها بر زیستگاه های طبیعی آبزیان مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. رودخانه ها همواره به صورت های مختلف با شکل های بستر همراه هستند. این شکل های بستر تابعی از زمین شناسی منطقه، مشخصات رسوبات حمل شده از بالادست، دبی عبوری و نیروهای هیدرودینامیک در رودخانه می باشند. نوع شکل بستر اصولاً به اندازه قطر ذرات رسوب بستگی دارد و این شکل ها با استفاده از مفاهیم هیدرودینامیکی تحت شرایط مشخصی از جریان طبقه بندی می شوند (11). همزمان با شروع حرکت ذرات بستر در رودخانه ها، شکل های مختلف بستر تشکیل می شوند. از رایج ترین شکل های بستر در رودخانه های آبرفتی، بسترهای متحرک پوشیده از شکنج ها و تلماسه ها است (7). ارتفاع تلماسه ها از مقادیر چند سانتی متر تا چند متر و طول موجشان از 5/0 متر تا چند هزار متر گزارش شده است (7، 8، 9 و 10). طبق آزمایش های متعدد ابعاد تلماسه ها به مشخصات جریان در رودخانه وابسته می باشند. تلماسه ها که در این پژوهش مورد بررسی و آزمایش قرار می گیرند، شامل اشکال بستری هستند که مقطع آنها با پروفیل سطح آب ناهمگام می باشد و از ذرات بسیار ریز و درشت مـاسه (4) تا ذرات درشت شن (9) تشکیل می گردند. اشلی(1990) برای نخستین بار به طبقه بندی تلماسه ها پرداخت (5). وی آنها را بر اساس سرعت جریان به دو شکل تلماسه های دوبعدی (برای مقادیر کم سرعت جریان) و تلماسه های سه بعدی (برای مقادیر زیاد سرعت جریان و با همان اندازه ذرات) تقسیم نمود. طبق نظرات مک لین (1990) تلماسه ها اغلب به صورت سه بعدی و با ارتفاعی حدود یک پنجم عمق جریان شکل می گیرند. این شکل ها معمولاً بسیار نامتقارن بوده و شیب بالادست آنها حدود 2 تا 6 درجه و شیب پایین دست، دارای زاویه ایستایی حدود 30 درجه می باشد (14). در شکل (1)، شمای کلی از یک تلماسه به تصویر کشیده شده است. شکل (1)، شمایی از نمای طولی تلماسه و معرفی اجزاء آن کاستاچوک و ویلارد (12) با مطالعه در رودخانه ای بیان کردند که هیچ دلیلی بر وجود جدایی دائمی جریان در تلماسه های با زاویه پایین دست ْ18 در دسترس نیست. بست و کاستاچوک (2002) نیز، با بررسی ساختار جریان آشفته در همان رودخانه نشان دادند که مورفولوژی تلماسه تأثیر قابل ملاحظه ای بر جریان داشته و ناحیه جدایی قابل مشاهده نیست (8). با وجود چندین دهه مطالعات تحلیلی، آزمایشگاهی و رودخانه ای در مورد شکل های بستر از جمله تلماسه ها، هنوز اطلاعات کاملی در مورد تأثیر متقابل این شکل ها بر جریان، هندسه شکل بستر (تاج مسطح و تاج تیز)، اندازه ذرات تشکیل دهنده آنها در دسترس نیست. همچنین تاثیر تلماسه بر پارامترهای هیدرولیکی، طول ناحیه جدایی و مولفه های جریان آشفته بصورت مقایسه ای توسط دستگاه های adv و piv ارائه نشده است. نصیری و همکاران (2011)، با هدف بررسی ساختار جریان بر روی تلماسه های شنی، تلماسه هایی با طول موج 96/0 متر، ارتفاع 08/0 متر و عرض 4/0 متر با ذرات شن 10 میلی متری، شبیه سازی نمودند. آنها برای بررسی تأثیر تغییر شیب وجه پایین دست تلماسه بر روی جریان، دو زاویه 28 و 35 درجه انتخاب کردند. نتایج حاصل از آنالیز سرعت های برداشت شده با adv نشان داد که با وقوع جدایی جریان در تاج تلماسه، خطوط جریان به سمت بستر کشیده می شوند و سرعت های افقی در جهت اصلی جریان با جهت معکوس بلافاصله در پایین دست تاج رخ می دهند. همچنین تنش برشی بستر، بیشینه مقدار خود را روی وجه بالادست تلماسه داشته و سپس کمینه مقدار خود را روی تاج تلماسه دارا است. طول ناحیه جدایی جریان نیز برای شیب 35 درجه بیشتر از شیب 28 درجه می باشد (15). داورپناه (1390) نیز به منظور مقایسه جریان عبوری از روی تلماسه های تاج مسطح و تاج تیز، با ساخت تلماسه های مشابه با کار عطار (1387) و نصیری و همکاران (2011)، آزمایش هایی بر روی تلماسه هایی با ارتفاع 04/0 متر و زاویه ایستایی 28 درجه با بکارگیری adv انجام داد. نتایج کار وی نشان می دهد که ارتفاع 4 سانتیمتری در تلماسه های با تاج مسطح بر روی جریان تأثیر گذار نبوده و ناحیه جدایی جریان قابل مشاهده نیست، بنابراین شکل تاج (تخت یا تیز) عامل مهمی در مشاهده یا عدم مشاهده ناحیه جدایی جریان محسوب می شود (1،2 و 15). در پژوهش حاضر با شبیه سازی ابعاد مختلف از تلماسه های تاج مسطح و تیز گوش، با زوایای پایین دست کوچک و بزرگ و ارتفاع های متغیر، به بررسی عوامل موثر بر طول ناحیه جدایی جریان پرداخته می شود. هدف از این تحقیق، بررسی شناخت پارامترهای موثر در جدایی جریان در شکل های بستر مختلف می باشد. برای دستیابی به این هدف، از سرعت سنج-های adv و piv و آزمایش بر روی تلماسه ها با ابعاد مختلف و مقایسه نتایج با شبیه سازی عددی توسط نرم افزار "سیم" استفاده می گردد. همچنین مقایسه طول ناحیه جدایی برای شرایط مختلف هیدرولیکی و هندسی شکل بستر در این پژوهش مورد بررسی قرار می گیرند. مواد و روش ها 2-1- مدل آزمایشگاهی تلماسه ها در این پژوهش با ساخت 9 تلماسه مصنوعی به صورت متناوب در طول یک کانال آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی به طول 12 متر، عرض 75/0 متر و ارتفاع 9/0 متر مستقر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه فنی گراتس در اتریش ، 32 سری آزمایش متفاوت بر روی تلماسه هایی با ابعاد و زوایای مختلف صورت گرفت. شن مورد استفاده برای ساختن تلماسه ها دارای قطر میانه (d50) حدود 2/13 و 8/5 میلی متر بود که در این پژوهش، آن ها به ترتیب به عنوان تلماسه های "درشت بافت" و "ریزبافت" نامیده شدند. جدول (1) خلاصه نتایج حاصل از آنالیز منحنی دانه بندی را برای تلماسه های "درشت بافت" و "ریزبافت" نشان می دهد. متوسط اندازه ذرات و ، و به ترتیب قطری از ذره شن هستند که در منحنی دانه بندی تلماسه ها به ترتیب، 84 %، 50 % و 16 % ذرات از آن کوچکتر می باشند. در صورت یکنواخت بودن ذرات شن، مقدار پارامترهای انحراف معیار هندسی ، و ضریب دانه بندی ، ، به مقدار واحد نزدیک می شوند. جدول(1)، مشخصات ذرات شن مورد استفاده در ساخت تلماسه ها نوع تلماسه d16(mm) d50(mm) d84(mm) ?g gr dg(mm) درشت بافت 9/8 2/13 2/17 39/1 39/1 37/12 ریز بافت 6/3 8/5 8/7 47/1 47/1 29/5 تلماسه های مورد نظر در 4 اندازه متفاوت مطابق شکل (2)، ساخته شده و در طول کانال نصب شدند. در تلماسه نوع 1، طول موج 1 متر، ارتفاع 04/0 متر، زاویه ایستایی 8 درجه می باشد و این در حالی است که برای انجام آزمایش های مشابه بر روی تلماسه های تاج تیز در تلماسه نوع دوم با افزایش ارتفاع به میزان 2 سانتی متر، شرایط مطلوب انجام می شود. در تلماسه نوع 3، زاویه وجه بالادست افزایش یافته تا تاثیر افزایش زاویه بر روی نقطه جدایی جریان، طول ناحیه جدایی و محل نقطه اتصال مجدد مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد. با کاهش ارتفاع به میزان 50% در تلماسه نوع 3، تاثیر افزایش تاج طول تاج مسطح (نوع 4) بر تغییر ساختار جریان مورد بررسی قرار می گیرد. نوع 1 نوع 2 نوع 3 نوع 4 شکل (2)، انواع تلماسه های ساخته شده در آزمایشگاه عمق جریان (فاصله عمودی گودترین نقطه تا سطح آب) در 2 سری (حالت) آزمایش7/31 و 5/19 سانتیمتر و دبی جریان در دو سری آزمایش دیگر 30 و 60 لیتر بر ثانیه در نظر گرفته شدند. در تمامی آزمایش ها تعداد 15-13 پروفیل سرعت در راستای طولی تلماسه پنجم برداشت گردید. اندازه گیری داده های سرعت و آشفتگی با به کارگیری دستگاه سرعت سنج صوتی adv با فرکانس 200 هرتز و به مدت 2 دقیقه در هر نقطه صورت گرفت. سرعت سنج مورد استفاده در این آزمایش از نوع (به سمت پهلو) است و نصب آن در فاصله 5/5 سانتی متری از محور مرکزی به منزله برداشت اطلاعات در محور مرکزی خواهد بود. داده های جمع آوری شده با استفاده از نرم افزار winadv غربال گشته و پس از آن مورد تحلیل قرار گرفتند. از جمله ویژگی های این تحقیق علاوه بر بررسی برهمکنش تلماسه با ابعاد و اشکال متفاوت با پارامترهای هیدرولیکی مختلف در شناخت عوامل موثر بر جدایی جریان و طول ناحیه جدایی، کاربرد همزمان سرعت سنج های adv و piv می-باشد. piv یک تکنیک جدید نوری به منظور سنجش سرعت سیال می باشد و از جمله مزایای آن نسبت به سایر تکنیک ها و دستگاه های اندازه گیری موجود مانند laser doppler velocimetry ، hot-wire anomometry و acoustic doppler velocimetry قابلیت اندازه گیری سرعت سیال به صورت کلی در واحد زمانی است (توانایی برداشت همزمان میدان جریان را دارد). این تکنیک قابلیت اندازه گیری سرعت دو بعدی و سه بعدی نزدیک بستر و سطح آب را داراست. با توجه به سرعت سیستم رایانه ای که برای تحلیل داده ها استفاده می شود می توان فواصل نقطه های برداشتی را بسیار کم نمود چنانچه قابلیت برداشت داده های سرعت در نزدیک بستر و نزدیک سطح آب به 1/0 میلی متر نیز می تواند برسد. استفاده از سرعت سنج لیزری (piv) در کشور ما به علت هزینه بالا و متاسفانه عدم تولید موارد مشابه داخلی، در اکثر دانشگاه ها قابل دسترس نمی باشد. اگرچه تحقیقات ارزشمند انجام شده در دانشگاه تربیت مدرس در سال های اخیر که به منظور بررسی میدان جریان حاصل از پرش های هیدرولیکی و تنش های برشی نزدیک بستر با استفاده از دستگاه piv است را نمی توان نادیده گرفت و قطعاً به عنوان اولین تحقیقات کاربرد piv در کشور محسوب می شوند (3) هرچند تاکنون مطالعاتی در زمینه ساختار جریان روی تلماسه ها در کشور صورت نگرفته است. در هنگام کار کردن با piv به نکات بسیاری باید توجه نمود زیرا کیفیت تصویر تولید شده، بیان آشکاری از کیفیت داده های برداشتی است. لذا با تغییر زاویه نورپردازی و در موارد خاص با رنگ آمیزی منطقه مطالعاتی با اسپری سیاه رنگ و استفاده از نوارهای چسب برق سیاه رنگ و گاهاً سوهان کاری و افزایش زبری سطوح می توان کیفیت تصاویر تولیدی را بالا برد (مقایسه تصاویر ارائه شده در شکل 3، افزایش دقت کار با دستگاه را در دو حالت بستر رنگ آمیزی شده و نشده نشان می-دهد). شکل(3)، مقایسه تصاویر حاصل شده در دو حالت بدون اسپری زنی مشکی بستر(سمت چپ) و اسپری زنی بستر (سمت راست) 2-2- مدل شبیه سازی شده تلماسه ها یکی از مدل هایی که برای اهداف خاص در مطالعات مهندسی رودخانه، هیدرولیک، مهندسی محیط زیست و انتقال رسوب توسعه یافته است، مدلی به نام "سیم 1-1/1" می باشد. هدف اصلی از توسعه این برنامه، شبیه سازی حرکت انتقال رسوب در رودخانه ها و کانال های آبیاری است. اگرچه بعدها کاربرد آن در محاسبه افت انرژی در تونل ها، شبیه سازی جریان عبوری از سرریزها و جریان لزج توسعه یافت ولی هنوز هم از بهترین و موثرترین کارایی آن می توان مدل سازی حرکت رسوب در بستر متحرک را نام برد (17). برنامه سیم با حل معادله ناویر-استوکس و مدل k-?، جریان را در سه راستای x، y و z شبیه سازی می کند و جریان عبوری از مش غیر ارتوگونال به روش حجم کنترل حل می شود. مشخصه اصلی سیم، نسبت به سایر برنامه های هیدرولیکی، قابلیت مدل کردن انتقال رسوب در بستر متحرک و هندسه پیچیده است و مدل سازی رسوب با اندازه های مختلف، بار بستر، بار معلق، شکل بستر و تاثیر شیب بستر را نیز در بر می-گیرد. در این پژوهش علاوه بر بررسی ساختار جریان عبوری از روی تلماسه های ساخته شده در آزمایشگاه، شرایط مشابه برای تلماسه های فرضی توسعه یافته در طول کانال نیز شبیه سازی می گردند. مقایسه طول ناحیه جدایی جریان در مدل فیزیکی و شبیه سازی شده، گامی مهم در کاربرد و توسعه مدل های عددی در علم هیدرولیک رسوب بشمار می رود و در مواردی که امکان توسعه مدل های فیزیکی میسر نمی باشد، مدل های کامپیوتری می توانند راهکارهای موثری را ارائه نمایند. مش بندی یکی از مهمترین و زمان برترین گام های اولیه برای توسعه مدل به شمار می رود.. این کار با وارد کردن داده ها در فایل ورودی متنی کوردینا انجام پذیر است. در شکل (4) و (5)، تعداد سلول ها در راستای طولی و عرضی در تلماسه های مدل شده (نوع 4) برابر بوده ولی انتخاب شبکه متراکم تر در نزدیکی بستر در شکل (5)، امکان مدل سازی قوی و دقیق تری را فراهم می سازد. شکل (4)، انتخاب شبکه 76?100 و فواصل 1سانتی متری در راستای عمق جریان و فواصل نزدیک بستر شکل (5)، انتخاب شبکه 76?100 و فواصل 1میلی متری در راستای عمق جریان و فواصل نزدیک بستر انتخاب تعداد خطوط شبکه در راستای عمق، بستگی به ارتفاع تلماسه مورد نظر دارد. در تلماسه ها با زاویه وجه بالادست کمتر از 10 درجه و ارتفاع کمتر از 5 سانتی متر، شبکه بسیار متراکمی پیشنهاد می گردد. لازم به ذکر است، متراکم تر کردن شبکه، نیازمند به رایانه با قدرت پردازش بالاست و هر نوع مش بندی با اندازه دلخواهی را نمی توان به سهولت تجزیه و تحلیل نمود. در نهایت به منظور تسهیل در رسم پروفیل های سرعت در فواصل مختلف اندازه گیری و مقایسه گرافیکی پروفیل های سرعت اندازه گیری شده و مدل سازی شده، یک برنامه گرافیکی به زبان دلفی نوشته شده است. این برنامه با دریافت داده-های ورودی به صورت یک فایل ساده متنی شامل شکل تلماسه، عمق آب، تعداد نقاط برداشت شده در هر پروفیل و محل پروفیل اندازه گیری شده (یا مدل سازی شده) سرعت در راستای طولی، قادر به رسم دقیق پروفیل های سرعت در طول تلماسه با شکل دلخواه خواهد بود. همچنین رسم خطوط هم سرعت و میانیابی آن در نقاط دلخواه از دیگر قابلیت های این برنامه می باشد. 3- نتیجه گیری و بحث 3-1- نتایج آزمایشگاهی حاصل از اندازه گیری پارامتر سرعت با دستگاه adv به منظور بررسی میزان خطای احتمالی بین داده های غربال شده و غربال نشده (خام) در محاسبه پارامترهای جریان از جمله سرعت جریان، تنش های رینولدز و نوسانات سرعت، اغلب از نرم افزار winadv استفاده می گردد. بررسی های عطار (1387)، نصیری (2011)، فاضل (2010) و داورپناه (1390) نشان می دهد که طولانی بودن مدت زمان اندازه گیری و مقدار بزرگ فرکانس نمونه برداری (200 هرتز) که در نتیجه آن تعداد داده های زیادی از پارامترسرعت ثبت می گردد، تأثیر غربال نمودن داده ها بر متوسط زمانی سرعت جریان محاسبه شده را بسیار ناچیز می کند (1،2 و 15). همچنین در این تحقیق برای کاهش خطای احتمالی و شکل گیری بهتر توزیع نوسان های سرعت و تنش های رینولدز، داده ها با شرایط نسبت سیگنال به نویز بیشتر از 5 دسی بل و همبستگی بزرگ تر از 70 درصد مورد استفاده قرار گرفتند. سری اول آزمایش ها بر روی تلماسه های نوع 1، ساخته شده از ذرات شن درشت با طول موج 1 متر، ارتفاع 04/0 متر، زاویه وجه پایین دست تلماسه 8 درجه، عمق جریان 32/0 متر و دبی 30 لیتر بر ثانیه به اجرا درآمدند. در این سری از آزمایش ها 13 پروفیل سرعت جریان، شامل 7 پروفیل بر روی تاج مسطح، 4 پروفیل در امتداد کانال بر روی شیب وجه بالادست و 2 پروفیل نیز بر روی شیب وجه پایین دست تلماسه برای اندازه گیری سرعت جریان در سه بعد در نظر گرفته شدند. سری دوم آزمایش ها بر روی همان تلماسه ها، با دبی 30 لیتر بر ثانیه و عمق جریان کمتر از سری آزمایش اول (5/19 سانتی متر) صورت پذیرفت. پس از حصول شرایط هیدرولیکی مناسب برای اندازه گیری دو عمق مختلف جریان و دو دبی 30 و 60 لیتر بر ثانیه بر روی مجموع تلماسه های درشت بافت و ریز بافت، سری های آزمایش بعدی بر روی تلماسه های نوع 2، 3 و 4 صورت پذیرفتند. نتایج حاصل از انجام 28 سری آزمایش بر روی تلماسه ها در جدول (2)، خلاصه شده اند. لازم به ذکر است که عدم وجود شرایط هیدرولیکی خاصی در جدول (همچون تلماسه نوع1، ریزبافت با دبی 60 لیتر بر ثانیه و عمق 5/19 سانتی متر) دلیل بر عدم امکان ایجاد شرایط آزمایشگاهی مناسب برای ثابت نمودن تلماسه ها و شست و شوی مکرر ذرات توسط جریان اعمالی بوده است. در تلماسه های با تاج تیز به دلیل شکل هندسی بستر و نیز طبق رابطه پیوستگی، واگرایی در خطوط جریان بعد از قله و همگرایی بر وجه بالادست در جریان دائمی انتظار می رود. پژوهشگرانی همچون بنت و بست (1995) (6)، وندیتی و بنت (2000) (18)، عطار (1387) (2) و نصیری (1388) (15) که آزمایش های خود را بر روی این نوع تلماسه ها انجام دادند، چنین الگویی را در خطوط جریان مشاهده نمودند. بدین گونه که سرعت جریان در نزدیکی تاج و به دنبال آن در شیب وجه پایین دست تلماسه به تدریج کاهش یافته تا به مقدار صفر رسیده، گاهاً منفی شده و مجدداً به سمت وجه بالادست آن روند افزایشی را در پیش می گیرند تا در بخش تاج تلماسه بعدی به بیشینه مقدار خود می رسند. در محل اتصال دو تلماسه به یکدیگر، با حضور مقادیر منفی سرعت جریان به صورت مداوم در حال گردش بوده و به پایین دست منتقل نمی شود که در پی آن محدوده جدایی جریان شکل می گیرد. فاصله محل جدایی جریان از بستر و نقطه اتصال مجدد آن، طول ناحیه جدایی جریان خوانده شده (l)، که مقایسه آن در تلماسه های مختلف و شرایط هیدرولیکی متفاوت از اهداف اصلی این پژوهش است. مقایسه نتایج حاصل از طول ناحیه جدا شده جریان در سری آزمایش های مذکور نشان دهنده اهمیت پارامترهای متعددی نظیر شکل تاج، اندازه زاویه ایستایی، سرعت جریان، عمق جریان، اندازه ذرات و ارتفاع تلماسه در پدیده جدایی جریان می باشد. طبق نتایج حاصل از اندازه گیری سرعت با دستگاه adv بر روی سری آزمایش اول در تلماسه نوع 1، در محدوده اتصال دو تلماسه به یکدیگر سرعت هیچ گاه مقدار منفی به خود نمی گیرد. در واقع جریان بر روی این تلماسه با تاج مسطح مشابه جریان بر روی یک باله عمل کرده و جدایی قابل توجهی را در نزدیکی بستر ایجاد نمی کند. نکته حائز توجه در این پژوهش، ارائه اهمیت اندازه زاویه وجه پایین دست در ایجاد ناحیه جدایی جریان است، زیرا در زاویه 8 درجه، با تغییر شکل تاج از نوع مسطح به تیز، تغییر ارتفاع تلماسه ها، تغییر بافت ذرات سازنده و تغییرشرایط هیدرولیکی اعمال شده، اعم از کاهش عمق و افزایش دبی جریان، مقادیر منفی سرعت ایجاد نشده و ناحیه جدایی جریان قابل مشاهده نیست (نتایج حاصل از جدول 2). اگرچه زبری بستر اختلاط بیشتر جریان در نزدیکی بستر را سبب می گردد و افزایش قطر ذرات بستر، کاهش سرعت جریان در نزدیک بستر و در پی آن جدایی راحت تر جریان را باعث می شود، در زاویه پایین دست 8 درجه، ناحیه جدایی مشاهده نشده است. شکل (6)، نقشه منحنی های هم سرعت در راستای جریان ("u" ?) را در طول تلماسه نوع 1 که توسط برنامه گرافیکی مذکور تهیه شده است، را نشان می دهد. پروفیل های سرعت مثبت اندازه گیری شده نشانگر عدم مشاهده جدایی جریان در محل اتصال دو تلماسه هستند. شکل (7)، نقشه منحنی های هم سرعت را در راستای عمود بر جریان ("w" ?) نشان می دهد. مقادیر متوسط سرعت در راستای عمود بر جریان، در طول یک تلماسه منفی هستند و در اغلب سری آزمایش های انجام شده بر روی تلماسه های نوع 1 و 2 (با زاویه ایستایی کوچک) بر روی شیب وجه بالادست تلماسه دارای مقادیر نزدیک به صفر است، رنگ سفید در شکل، تا تاج مسطح تلماسه بعدی ادامه می یابد. همچنین مقادیر سرعت منفی در بخش فرورفته تلماسه و وجه پایین دست تا نزدیک بستر پیش می آیند. شکل(6)، نمایش پروفیل های سرعت در راستای جریان ("u" ?) در آزمایش سری اول شکل(7)، نمایش پروفیل های سرعت در راستای عمود بر جریان ("w" ?) در آزمایش سری اول نتایج حاصل از مطالعات نصیری (2011) در تلماسه های با تاج تیز و زاویه وجه پایین دست بزرگ (35 درجه)، نشان می دهد سرعت متوسط در راستای عمود بر جریان بر روی تاج نزدیک به صفر است و سرعت های عمودی در ناحیه جدایی جریان ایجاد شده، مقادیری مثبت بزرگی دارند (15). تفاوت الگوی سرعت های عمودی ایجاد شده در محل اتصال دو تلماسه به یکدیگر در پژوهش حاضر با مطالعات نصیری (2011)، کوچکتر بودن ناحیه جدایی جریان را بر روی تلماسه های با شیب ملایم، نشان می دهد. کاربرد تنش های رینولدز برای برآورد تنش برشی بستر در حضور شکل های گوناگون هندسی مناسب است. در شرایط هیدرولیکی متفاوت اعمال شده بر روی تلماسه های با شیب ملایم، پارامتر بدون بعد تنش های برشی رینولدز در نزدیکی بستر بیشینه بوده و سپس تا سطح آب روند کاهشی دارد (شکل 8). روند کاهشی غیر خطی مشاهده شده با نتایج حاصل از بررسی های یانگ و همکاران (2004) مبنی بر انحراف توزیع تنش رینولدز از توزیع خطی استاندارد در نتیجه حضور سرعت عمودی غیر صفر، مطابقت دارد (19). لازم به ذکر است که در مطالعات سال های اخیر نتایج نشان می دهد که به علت وجود توربولانس در وجه پایین دست تلماسه ها، کاربرد یک پروفیل منفرد در برآورد تنش برشی بستر و همچنین سرعت برشی (u*) برای بدون بعد کردن پارامتر ها مناسب نیست و کاربرد مقادیر متوسط مکانی توصیه می شود. همچنین در مواقعی که برون یابی بخش نزدیک بستر در پروفیل های تنش رینولدز که برای برآورد سرعت برشی استفاده می شود، مقدار صفر را تخمین می زنند، کاربرد برون یابی داده های متوسط مکانی تنش برشی رینولدز پیشنهاد می گردد. در این پژوهش تنها مقادیر نزدیک به صفر در نزدیکی سطح آزاد جریان حاصل گردیده و مقادیر منفی مشاهده نشدند. این بدان معناست که تلماسه ها قادر نیستند که لایه نزدیک به سطح آب را تحت تأثیر قرار دهند. مقادیر کوچکتر تنش رینولدز در شکل (8الف) نسبت به (8ب) می تواند ناشی از تاثیر بیشتر مقادیر سرعت عمودی ("w" ?) نزدیک به صفر در وجه بالادست تلماسه نسبت به وجه پایین دست آن باشد. الف) ب) شکل (8)، نمای تغییرات پروفیل های بدون بعد تنش رینولدز ("-" ("u"?"w"?" ) ?"/" ?"u" ^"*" ?^"2" ) در آزمایش سری اول، الف - وجه بالادست تلماسه، ب- وجه پایین دست تلماسه در سری آزمایش های انجام شده بر روی تلماسه های نوع 3 ، شکل (9) ، جدایی جریان حاصل از افزایش زاویه وجه پایین دست را نشان می دهد. شکل (9)، نمایش پروفیل های سرعت در راستای جریان ("u" ?) در آزمایش سری پانزدهم بر اساس مشاهدات آزمایشگاهی در تلماسه های بلند، پروفیل های سرعت بر روی شیب وجه پایین دست تلماسه در نزدیکی محل فرورفته تلماسه برگشته و سرعت ابتدا مقادیر صفر (محدوده سفید رنگ) و سپس مقادیر منفی به خود می گیرد و این سرعت های منفی تا بخش ابتدایی شیب وجه بالادست ادامه می یابند تا دوباره به مقدار صفر برسند. تغییرات به صورت گسترده، تدریجی و کاملاً محسوس بوده و ارتباط مستقیم هندسه تلماسه را با جدایی جریان نشان می دهند. شکل (10)، سرعت های عمودی در ناحیه جدایی جریان ایجاد شده را که دارای مقادیر مثبت بزرگی هستند نشان می دهد. این شکل تفاوت الگوی جریان حاضر و الگوی جریان عبوری از روی تلماسه هایی که جدایی جریان به طور محسوس در آن مشاهده نمی شود (شکل 7)، را نشان می دهد. شکل (10)، نمایش پروفیل های سرعت در راستای عمود بر جریان ("w" ?) در محل اتصال دو تلماسه از نوع 3 در آزمایش سری پانزدهم نتایج حاصل از مقایسه سری آزمایش های 15 الی 20 و مقادیر ارائه شده از طول ناحیه جدایی جریان در جدول (2)، به شرح زیر است: برای دو تلماسه مشابه در حالت استقرار و سرعت جریان یکسان، طول ناحیه جدایی جریان حاصل از حضور تلماسه در اعماق کمتر جریان، بزرگتر می باشد. با افزایش سرعت جریان در دو تلماسه مشابه و با عمق یکسان، طول ناحیه جدایی جریان افزایش می یابد. همچنین بررسی نتایج حاصل از طول ناحیه جدایی جریان در مجموع سری آزمایش های 1 الی 28 علاوه بر تایید نتایج ذکر شده، نشان می دهند که: از بین پارامترهای موجود و موثر در جدایی جریان، زاویه ایستایی و سپس ارتفاع تلماسه، به ترتیب از مهمترین و کلیدی ترین پارامترها می باشند. تحت شرایط هیدرولیکی یکسان در تلماسه هایی با تاج تخت، طول ناحیه جدایی جریان و محل وقوع آن نسبت به تلماسه های تاج تیز کمتر است. یک رابطه خطی مشخصی بین طول ناحیه جدایی جریان و ارتفاع تلماسه ها موجود است. نسبت طول ناحیه جدایی جریان اندازه گیری شده به ارتفاع تلماسه (l/?) در شرایط متفاوت هیدرولیکی حدود 5/3 در تلماسه نوع 3 و حدود 8/3 در تلماسه نوع 4 برآورد گردیده است که این ارقام از موارد گزارش شده (8/5=l/?) اوها و مزومدار (2008) و 6= l/?در مرجع لین (1993)، کمتر می باشد (13و16). در تمام انواع تلماسه ها با نزدیک شدن به سطح آب و گذر از لایه برشی تغییرات سرعت نسبتاً یکنواخت می گردد و این امر مبین عدم تأثیر شکل بستر بر ساختار جریان در اعماق نزدیک به سطح آب است. 3-2- نتایج حاصل از مدل سازی پروفیل های سرعت جریان عبوری از روی تلماسه ها عدم مشاهده ناحیه جدایی جریان در تلماسه های ریزبافت با ارتفاع 4 سانتی متر و مقایسه آن با شرایط هیدرولیکی مشابه تلماسه های ریزبافت با ارتفاع بیشتر، که جدایی جریان در آن ها قابل مشاهده است، سبب بکارگیری رایانه در مدل سازی تلماسه ها گردید. شبیه سازی تلماسه ها در شرایط هیدرولیکی متفاوت و کالیبره نمودن آن ها با مدل های فیزیکی گامی جدید در مهندسی هیدرولیک رسوب است که نتایج حاصل از آن با مقادیر اندازه گیری شده همخوانی بسیار مناسبی را نشان می-دهند. جدول 2، نتایج حاصل از اندازه طول ناحیه جدایی جریان در دو مدل فیزیکی و عددی l/? طول ناحیه جدایی جریان برآورد شده (l’) (cm) طول ناحیه جدایی جریان اندازه گیری شده (l) (cm) سرعت حداکثر (cm/s) عمق جریان (cm) دبی (lit/sec) اندازه ذرات شن نوع تلماسه سری تلماسه های با زاویه کوچک 0 0 0 19 7/31 30 درشت 1 1 0 0 0 33 5/19 30 درشت 1 2 0 0 0 38 7/31 60 درشت 1 3 0 0 0 19 7/31 30 ریز 1 4 0 0 0 33 5/19 30 ریز 1 5 0 0 0 38 7/31 60 ریز 1 6 0 0 0 20 7/31 30 درشت 2 7 0 0 0 40 5/19 30 درشت 2 8 0 0 0 41 7/31 60 درشت 2 9 0 0 0 61 5/19 60 درشت 2 10 0 0 0 21 7/31 30 ریز 2 11 0 0 0 40 5/19 30 ریز 2 12 0 0 0 41 7/31 60 ریز 2 13 0 0 0 63 5/19 60 ریز 2 14 تلماسه های با زاویه بزرگ 2/2 8/18 5/17 18 7/31 30 درشت 3 15 7/2 9/22 8/21 40 5/19 30 درشت 3 16 2/2 8/18 2/18 38 7/31 60 درشت 3 17 3/3 3/22 1/26 82 5/19 60 درشت 3 18 5/3 3/18 4/27 16 7/31 30 ریز 3 19 2/3 1/21 9/25 35 5/19 30 ریز 3 20 4/1 8/8 5/5 19 7/31 30 درشت 4 21 3 7/9 1/12 36 5/19 30 درشت 4 22 9/1 8/8 8/7 36 7/31 60 درشت 4 23 8/3 6/9 5/15 69 5/19 60 درشت 4 24 0 8/6 0 20 7/31 30 ریز 4 25 0 2/9 0 38 5/19 30 ریز 4 26 0 8/6 0 37 7/31 60 ریز 4 27 0 1/9 0 69 5/19 60 ریز 4 28 مقایسه پروفیل های سرعت اندازه گیری شده در سری 15، با پروفیل های سرعت شبیه سازی شده توسط مدل هیدرولیکی "سیم" همخوانی مناسبی را از نظر شکل توزیع محل جدایی جریان و مکان نقطه اتصال مجدد جریان نشان می دهد (شکل 11). شکل (11)، نمایش مقایسه پروفیل های سرعت اندازه گیری شده و شبیه سازی شده در تلماسه با زاویه بزرگ نتایج حاصل از مدل سازی، عدم مشاهده ناحیه جدایی جریان را در تلماسه های با شیب ملایم (نوع 1 و 2) و شرایط هیدرولیکی اعمالی تایید کرده (شکل 12) و صحت فرضیه وجود رابطه خطی بین طول ناحیه جدایی جریان و ارتفاع تلماسه را نشان می دهد. حضور ناحیه جدایی جریان مدل شده (شکل 13) در سری آزمایش های 25 الی 28 (تلماسه های نوع 4 ریزبافت) و عدم مطابقت آن با موارد اندازه گیری شده توسط adv، نشان می دهد که عدم مشاهده ناحیه جدایی جریان توسط adv ، نشانه عدم وجود ناحیه جدایی جریان نیست و لذا به ابزارهای قوی تری نظیر piv برای اندازه گیری سرعت جریان و پدیده جدایی جریان در نزدیک بستر نیاز است. شکل (12)، نمایی از منحنی های هم سرعت در راستای جریان (u) در تلماسه مدل سازی شده از نوع اول و تایید عدم وجود ناحیه جدایی شکل (13)، پروفیل های سرعت جریان مدل سازی شده در راستای جریان (u) در شرایط هیدرولیکی دبی lit/s30 3-3- نتایج آزمایشگاهی حاصل از اندازه گیری پارامتر سرعت با دستگاه piv با نگاهی دقیق تر به جدول (2)، این سوال مطرح می شود که آیا کاهش اندازه قطر ذرات در تلماسه های با ارتفاع (4 سانتی-متر) و یا به مفهومی دیگر کاهش زبری جریان، سبب ایجاد شرایطی شده است که مانع جدایی جریان می گردد و یا این عدم مشاهده ناحیه جدایی حاصل از ضعف اندازه گیری های دستگاه adv است؟ نتایج حاصل از کاربرد دستگاه piv در شرایط هیدرولیکی مشابه و همچنین کاهش زبری ذرات در شکل (14) ارائه شده است. جریان مدل شده توسط سیم از تلماسه نوع 4، نیز نتایج مشابهی با piv را نشان می دهد (شکل 15) که مبین ناحیه جدایی جریان کوچک برای این نوع شکل بستر است. شکل (14)، نمایی از منحنی های هم سرعت اندازه گیری شده توسط piv در راستای طولی کانال، (سری آزمایش 25) و حضور ناحیه جدایی جریان شکل (15)، نمایی از منحنی های هم سرعت مدل سازی شده در راستای طولی کانال، (سری آزمایش 25) و حضور ناحیه جدایی جریان جمع بندی و نتیجه گیری نتایج حاصل از بررسی برهم کنش انواع شکل های بستر شنی بر توزیع های سرعت جریان، تنش های رینولدز و نیز بررسی طول ناحیه جدایی جریان و اتصال مجدد از تلماسه های ساخته شده و شبیه سازی شده به صورت زیر خلاصه می گردد: طول ناحیه جدایی جریان در دو تلماسه با شکل هندسی مشابه، برای جریان با عمق کمتر، بزرگ تر می باشد. طول ناحیه جدایی جریان در دو تلماسه با شکل هندسی مشابه، با افزایش سرعت جریان، افزایش می یابد. در تلماسه هایی با تاج تخت، طول ناحیه جدایی کوتاه تر از طول ناحیه جدایی در تلماسه های با تاج تیز است. یک رابطه خطی مشخص بین طول ناحیه جدایی جریان و ارتفاع تلماسه ها وجود دارد. طول ناحیه جدایی جریان اندازه گیری شده در تلماسه با شکل و هندسه متفاوت دارای تغییرات حدود 8/3-5/1 برابر ارتفاع تلماسه می باشد. با کاهش ارتفاع تلماسه به میزان 50%، طول ناحیه جدایی جریان حدود 50 % کاهش می یابد. زاویه وجه پایین دست و ارتفاع تلماسه، به ترتیب از مهمترین پارامترهای موثر در طول جدایی جریان می باشد. چنانچه زاویه وجه پایین دست 8 درجه در مقایسه با 38 درجه جدایی جریان نامحسوسی را سبب می شود و ارتفاع 8 سانتی متری در مقایسه با سایر ارتفاع های در نظر گرفته شده برای تلماسه ها، جدایی جریان بیشتری را سبب می گردد.