مطالعه‌ی آزمایشگاهی تأثیر موانع بر اتلاف انرژی جریان در سرریز کلیدپیانویی
محورهای موضوعی : تحلیل، طراحی و ساخت سازه های آبیشیماء عزالدین ابراهیم 1 , علی خوش فطرت 2
1 - گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
2 - .2 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، واحد اصفهان )خوراسگان(، دانشگاه آزاد اسالمی، اصفهان، ایران
کلید واژه: اتلاف انرژی, سرریز کلیدپیانویی, مطالعه‌ی آزمایشگاهی, مانع, نوع C,
چکیده مقاله :
سرریزهای کلیدپیانویی، دارای طول تاج بیشتر نسبت به سرریزهای خطی است. افزایش طول تاج سرریز در عرض محدود، باعث افزایش ضریب آبگذری می‌گردد. سرریزهای کلیدپیانویی حدود 24 سال پیش برای افزایش عبوردهی جریان، پی سبک و راندمان بالاتر نسبت به دیگر سرریزهای غیر خطی، ساخته شدند. با توجه به اهمیت این سرریزها و راهکار برای افزایش اتلاف انرژی و در نهایت کاهش آبشستگی در آن‌ها؛ لذا در این تحقیق سعی شد از یک سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C استفاده شود. از چهار دبی 025/0، 03/0، 035/0 و 04/0 متر مکعب بر ثانیه نیز استفاده شد. از سه مانع با ارتفاع‌های 01/0، 03/0 و 05/0 متر در انتهای کلیدهای خروجی سرریز نیز استفاده شد. نتایج چنین است که با افزایش ارتفاع موانع، میزان اتلاف انرژی نیز افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش دبی جریان، از میزان اتلاف انرژی کاسته می‌شود. در موانع 01/0، 03/0 و 05/0 متر، میزان اتلاف انرژی نسبت به سرریز بدون مانع به‌ترتیب 20/1، 13/2 و 53/2 درصد افزایش می‌یابد. میانگین اتلاف انرژی در سرریزهای با موانع 0، 01/0، 03/0 و 05/0 متر در انتهای کلیدهای خروجی، به‌ترتیب برابر 8/57، 5/58، 06/59 و 3/59 است. در انتها رابطه‌ای برای محاسبه میزان اتلاف انرژی در سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C همراه با مانع در انتهای کلیدهای خروجی با ضریب همبستگی 9/98 درصد، به‌دست آمد.
Piano key weirs have a longer crown length than linear weirs. Increasing the length of the weir crest in a limited width increases the water flow coefficient. Piano key weirs were built about 24 years ago to increase flow throughput, light foundation and higher efficiency than other non-linear weirs. Considering the importance of these weirs and the solution to increase the energy loss and finally reduce scour in them; Therefore, in this research, it was tried to use a C-type trapezoidal piano key weir. Four flow rates of 0.025, 0.03, 0.035 and 0.04 cubic meters per second were also used. Three barriers with heights of 0.01, 0.03 and 0.05 meters were also used at the end of the overflow output keys. The results show that with the increase in the height of the obstacles, the amount of energy loss also increases. Also, by increasing the flow rate, the amount of energy loss is reduced. In barriers of 0.01, 0.03 and 0.05 meters, the amount of energy loss increases by 1.20, 2.13 and 2.53%, respectively, compared to the weir without obstacles. The average energy loss in weirs with barriers of 0, 0.01, 0.03 and 0.05 meters at the end of the outlet switches is equal to 57.8, 58.5, 59.06 and 59.3, respectively. At the end, a relationship was obtained to calculate the amount of energy loss in the C-type trapezoidal piano key weir along with the barrier at the end of the output keys with a correlation coefficient of 98.9%.
1. Leite Ribeiro, M., Boillat, J.L., Schleiss, A., Laugier, F. and Albalat, C., 2007. Rehabilitation of St-Marc dam experimental optimization of a piano key weir. In Proceedings of the 32nd Congress of IAHR (No. CONF).
2. Khanh, M.H.T., Hien, T.C. and Quat, D.S., Study and construction of PK Weirs in Vietnam (2004 to 2011).
3. Bieri, M., Federspiel, M., Boillat, J.L., Houdant, B., Faramond, L. and Delorme, F., 2011. Energy dissipation downstream of piano key weirs–case study of Gloriettes dam (France). Labyrinth and piano key weirs–PKW 2011, pp.123-130.
4. Erpicum, S., Laugier, F., Pfister, M., Pirotton, M., Cicero, G.M. and Schleiss, A.J. eds., 2013. Labyrinth and piano key weirs II. CRC Press.
5. Sajadi, S.M., 2017. Effect of baffled outlet keys at Piano Key Weir on dissipating energy. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 18(69), pp.77-92.
6. Al-Shukur, A.H.K. and Al-Khafaji, G.H., 2018. Experimental study of the hydraulic performance of piano key weir. International Journal of Energy and Environment, 9(1), pp.63-70.
7. Naghibzadeh, S.M., Heidarnezhad, M., Masjedi, A. and Bordbar, A., 2020. Experimental and Numerical Analysis of Energy Dissipation in Piano Key Weirs with Stepped and Baffled Barriers at Downstream Slop. Iranian Journal of Soil and Water Research, 51(10), pp.2431-2442.
8. R. Eslinger, K. and Crookston, B.M., 2020. Energy dissipation of type a piano key weirs. Water, 12(5), p.1253.
9. Singh, D. and Kumar, M., 2022. Gene expression programming for computing energy dissipation over type-B piano key weir. Renewable Energy Focus, 41, pp.230-235.
10. Fathi, A., Abdi Chooplou, C. and Ghodsian, M.G., 2023. An Experimental Study of Flow Energy Loss in Trapezoidal Stepped Piano Key Weirs (PKWs). Modares Civil Engineering journal, 23(4), pp.0-0.
11. https://sanad.iau.ir/Journal/tsws/Article/783133
12. Sumer, B.M. and Fredsoe, J., 1991, August. Onset of scour below a pipeline exposed to waves. In The First International Offshore and Polar Engineering Conference. OnePetro.
13. Novák, P. and Čabelka, J., 1981. Models in hydraulic engineering: Physical principles and design applications. Monographs & surveys in water resources engineering.
Technical Strategies in Water Systems https://sanad.iau.ir/journal/tsws ISSN (Online): 2981-1449 Autumn 2023: Vol 1, Issue 2, 169-176 |
|
Research Article |
|
|
Experimental study of the effect of obstacles on flow energy loss in piano key weir
Shimaa Ezzaldine Ibrahim1, Ali Khoshfetrat*2
1 MS, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
2 Assistant Professor of Civil Engineering Department , Faculty of Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
*Corresponding Author email: khoshfetrat@khuisf.ac.ir
© The Author)s( 2023
Received: 06 Sept 2023 | Accepted: 08 Oct 2023 | Published: 14 Oct 2023
|
Abstract
Piano key weirs have a longer crown length than linear weirs. Increasing the length of the weir crest in a limited width increases the water flow coefficient. Considering the importance of these weirs and the solution to increase the energy loss and finally reduce scour in them; therefore, in this research, it used a C-type trapezoidal piano key weir. Four flow rates of 0.025, 0.03, 0.035 and 0.04 cubic meters per second were also used. Three barriers with heights of 0.01, 0.03 and 0.05 meters were also used at the end of the overflow output keys. The results show that with the increase in the height of the obstacles, the amount of energy loss also increases. Also, by increasing the flow rate, the amount of energy loss is reduced. In barriers of 0.01, 0.03 and 0.05 meters, the amount of energy loss increases by 1.20, 2.13 and 2.53%, respectively, compared to the weir without obstacles. The average energy loss in weirs with barriers of 0, 0.01, 0.03 and 0.05 meters at the end of the outlet switches is equal to 57.8, 58.5, 59.06 and 59.3, respectively. At the end, a relationship was obtained to calculate the amount of energy loss in the C-type trapezoidal piano key weir along with the barrier at the end of the output keys with a correlation coefficient of 98.9%.
Keywords: Energy loss, Experimental study, Obstacle, Piano key weir (PKW), Type C
مقاله پژوهشی |
|
|
مطالعه‌ی آزمایشگاهی تأثیر موانع بر اتلاف انرژی جریان در سرریز کلیدپیانویی
شیماء عزالدین ابراهیم1، علی خوش‌فطرت2*
1. دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.
2. استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.
* ایمیل نویسنده مسئول: khoshfetrat@khuisf.ac.ir
© The Author)s( 2023
چاپ: 22/07/1402 | پذیرش: 16/07/1402 | دریافت: 15/06/1402 |
چکیده
سرریزهای کلیدپیانویی، دارای طول تاج بیشتر نسبت به سرریزهای خطی است. افزایش طول تاج سرریز در عرض محدود، باعث افزایش ضریب آبگذری می‌گردد. با توجه به اهمیت این سرریزها و راهکار برای کاهش اتلاف انرژی و در نهایت کاهش آبشستگی در آن‌ها؛ در این تحقیق از یک سرریز کلید پیانویی ذوزنقه‌ای نوع C، چهار دبی 025/0، 03/0، 035/0 و 04/0 متر مکعب بر ثانیه و سه مانع با ارتفاع‌های 01/0، 03/0 و 05/0 متر در انتهای کلیدهای خروجی سرریز استفاده شد. نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع موانع، میزان اتلاف انرژی نیز افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش دبی جریان، از میزان اتلاف انرژی کاسته می‌شود. در موانع 01/0، 03/0 و 05/0 متر، میزان اتلاف انرژی نسبت به سرریز بدون مانع به‌ترتیب 20/1، 13/2 و 53/2 درصد افزایش می‌یابد. میانگین اتلاف انرژی در سرریزهای با موانع 0، 01/0، 03/0 و 05/0 متر در انتهای کلیدهای خروجی، به‌ترتیب برابر 8/57، 5/58، 06/59 و 3/59 است. در انتها رابطه‌ای برای محاسبه میزان اتلاف انرژی در سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C همراه با مانع در انتهای کلیدهای خروجی با ضریب همبستگی 9/98 درصد، به‌دست آمد.
کلمات کلیدی: اتلاف انرژی، مطالعه‌ی آزمایشگاهی، مانع، سرریز کلیدپیانویی، نوع C
1- مقدمه
سرریزهای کلیدپیانویی توسعه یافتهی سرریزهای کنگره‌ای هستند. تفاوت این دو سرریز، وجود شیب در کلیدهای ورودی و خروجی در سرریز کلیدپیانویی است. سرریزهای کلیدپیانویی دارای چهار تیپ A، B، C و D هستند. نوع اول دارای لبه آویزان در بالادست و پایین‌دست سرریز، نوع دوم و سوم به‌ترتیب دارای لبه آویزان در بالادست و پایین‌دست سرریز و نوع چهارم، بدون لبه آویزان است. همچنین سرریزهای کلیدپیانویی دارای شکل‌‌های مستطیلی، مثلثی و ذوزنقه‌ای هستند. به دلیل راندمان بالای سرریزهای کلیدپیانویی در ضریب آبگذری و دارا بودن پی سبک؛ لذا راهکار برای کاهش میزان اتلاف انرژی در این سازه‌های هیدرولیکی و در نهایت کاهش آبشستگی در آن‌ها، حائز اهمیت است. افرادی مانند Leite Ribeiro et al., 2007; Khanh et al., 2010; Bieri et al., 2011; Erpicum et al., 2013 روی اتلاف انرژی و ضریب آبگذری سرریزهای کنگره‌ای و کلیدپیانویی تحقیقات ارزشمندی انجام دادند. Sajadi et al. (2017) با بررسی عددی و آزمایشگاهی روی اتلاف انرژی سرریز کلیدپیانویی مستطیلی، به این نتیجه رسیدند که وجود بلوک در کلیدهای خروجی سرریز باعث اتلاف انرژی بیشتر می‌شود. Al-Shukur & Al-Khafaji (2018) با بررسی آزمایشگاهی روی اتلاف انرژی سرریز کلیدپیانویی مستطیلی، دریافتند که با افزایش شیب‌های کلیدهای خروجی سرریز، میزان انرژی کمتر می‌شود. ایشان همچنین رابطه‌ای برای ضریب آبگذری سرریز ارائه دادند که ضریب همبستگی در آن 984/0 است. Naghibzadeh et al. (2020) با بررسی آزمایشگاهی و عددی روی میزان اتلاف انرژی سرریز کلیدپیانویی مستطیلی، به این نتیجه رسیدند که وجود پله و بلوک در کلیدهای خروجی سرریز، باعث بیشتر شدن میزان اتلاف انرژی می‌شود. ایشان تأثیر عدد وبر را بر میزان اتلاف انرژی در نظر گرفتند که بازه‌ی آن بین 35 تا 1500 است.Crookston (2020) Eslinger &، با بررسی آزمایشگاهی روی میزان اتلاف انرژی سرریز کلیدپیانویی مستطیلی، به این نتیجه رسیدند که با کاهش دبی جریان، مقدار اتلاف انرژی افزایش می‌یابد. همچنین در سرریزهای با ارتفاع کمتر، مقدار اتلاف انرژی بیشتر است و نسبت عرض کلید ورودی به عرض کلید خروجی سرریز، تأثیر زیادی بر میزان اتلاف انرژی ندارد.Singh & Kumar (2022) ، با بررسی آزمایشگاهی روی سرریز کلیدپیانویی مستطیلی، به این نتیجه رسیدند که وجود پله در کلیدهای خروجی سرریز، باعث افزایش میزان اتلاف انرژی می‌شود. ایشان همچنین میزان اتلاف انرژی در سرریز ساده و بدون پله را نیز مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که با کاهش دبی جریان، مقدار اتلاف انرژی افزایش می‌یابد. Fathi et al. (2023)، با بررسی آزمایشگاهی سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای پله‌ای، به این نتیجه رسیدند که وجود پله در کلیدهای خروجی سرریز، باعث اتلاف انرژی بیشتر می‌شود. ایشان تعداد صفر، پنج، 10 و 15 پله در کلیدهای خروجی سرریز استفاده کردند و دریافتند که میزان اتلاف انرژی در سرریز 10 پله‌ای به‌مراتب بیشتر از مابقی سرریزها است. همچنین بیان داشتند که با افزایش دبی جریان، میزان اتلاف انرژی کاهش می‌یابد. Challoob Mshali et al. (2023)، با بررسی آزمایشگاهی روی سرریز کلیدپیانویی همراه با جامپ در کلیدهای خروجی سرریز، به این نتیجه رسیدند که وجود جامپ باعث اتلاف انرژی بیشتر می‌شود. همچنین بیان داشتند که با کاهش دبی حریان، میزان اتلاف انرژی افزایش می‌یابد.
با توجه به مطالعات ارزشمند انجام شده روی میزان اتلاف انرژی در سرریزهای کلیدپیانویی و راهکار برای افزایش آن؛ لذا تحقیقی بر مبنای تأثیر موانع در انتهای کلیدهای خروجی سرریز، صورت نگرفته است. در این تحقیق از یک سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع C، با چهار دبی جریان 025/0، 03/0، 035/0 و 04/0 متر مکعب بر ثانیه و سه مانع به ارتفاع‌های 01/0، 03/0 و 05/0 متر استفاده شد.
2- آنالیز ابعادی
رابطه (1) پارامترهای موثر بر میزان اتلاف انرژی جریان را نشان می‌دهد که در آن 
چگالی آب، 
ضریب کشش سطحی، 
لزجت دینامیکی، V1 سرعت متوسط جریان در بالادست سرریز، H عمق جریان به‌علاوه انرژی جنبشی در بالادست سرریز، P ارتفاع سرریز و h ارتفاع موانع هستند.
(1) | EL = f ( با توجه به تئوری
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
