برای استهلاک انرژی جنبشی جریان در پایاب سدها، معمولاً از حوضچه ­های آرامش استفاده می­ شود. هرچقدر انرژی جنبشی منتقل شده به پایین­ دست بیشتر باشد، حوضچه آرامش ابعاد بزرگتری خواهد داشت و یا تمهیدات بیشتری برای استهلاک انرژی در آن لازم است. که سبب شده بر روی هزینه ­های اجرایی و نگه­داری و نیز پایداری سد تأثیر بگذارد. سرریزهای پلکانی از جمله سازه ­هایی هستند که به منظور بهبود شرایط هیدرولیکی و استهلاک انرژی معمولاً در سدهای بتنی غلتکی به کار گرفته می­شوند. با احداث این نوع سرریز ابعاد حوضچه آرامش و همچنین هزینه ­ها کاهش می­ یابند و در برخی شرایط ممکن است منجربه حذف حوضچه آرامش شود.

علاوه بر مزیت اصلی سرریزهای پلکانی که مستهلک­ کننده انرژی می­ باشند، آن چیزی که این سرریزها را متمایز می ­سازد مسئله هوادهی جریان می­ باشد. به علت قرارگیری پله در بدنه سرریز، جریان کاملاً هوادهی می­ شود که می­ تواند در نواحی که مستعد پدیده کاویتاسیون است با افزایش فشار ناشی از ورود هوا به آب از ایجاد این پدیده و تخریب های ناشی از آن جلوگیری کند.

سرریزهای پلکانی در کنار مزایایی که دارند شامل برخی معایب مانند، پیچیده بودن هیدرولیک آنها، عملکرد هیدرولیکی متفاوت و رژیم­ های گوناگون جریان در دبی­ های مختلف می­ باشند.

 

سرریز پلکانی

رژیم جریان در سرریزهای پلکانی

از ویژگی ­های مهم هیدرولیکی جریان روی سرریزهای پلکانی می ­توان به تشکیل سه نوع رژیم جریان مختلف که تابع دبی جریان و شکل هندسی پله می ­باشد، اشاره کرد. به ازای دبی کم، رژیم جریان ریزشی (Nappe flow) تشکیل می ­شود. رژیم جریان انتقالی (Transition flow) مابین رژیم جریان ریزشی و غیرریزشی بوده و دارای ظاهری نامنظم است. با افزایش دبی و عبور از محدوده جریان انتقالی، رژیم جریان غیرریزشی (Skimming flow) ایجاد می ­شود. با توجه با تحقیقات صورت گرفته در زمینه انواع رژیم جریان نمودار زیر بدست آمده است که به وسیله آن می­ توان با داشتن ارتفاع پله، عرض پله و دبی جریان نوع رژیم جریان را مشخص کرد.

 

رژیم جریان غیرریزشی (Skimming flow)

رژیم جریان غیرریزشی در دبی های زیاد اتفاق می افتد. در جریان­ های غیرریزشی آب به سمت پایین پله حرکت می کند. جریان آب بر روی پله به صورت یک لایه جاری می­ شود. لبه­ های خارجی پله­ ها نوعی کف کاذب را به وجود می­آورند. گرداب­ های چرخشی در زیر این کف کاذب قرار دارند. در شکل زیر رژیم جریان غیرریزشی نشان داده شده است. در رژیم جریان غیرریزشی، سه ناحیه قابل تمایز وجود دارد. ناحیه اول: جریان در ابتدا و بالای سرریز صاف و بدون هواست که به آن ناحیه با جریان صاف و بدون هوا گویند. با رشد لایه مرزی و رسیدن به سطح آب، ورود هوا در پله­ های پایین­ دست صورت گرفته و میزان تلاطم به حداکثر می­ رسد. بعد از نقطه شروع هوادهی، حباب ­های هوا به تدریج وارد جریان شده و حجم سیال افزایش پیدا می­ کند که این ناحیه با نام ناحیه در حال گسترش شناخته می­ شود. با عبور از ناحیه در حال گسترش، حالتی یکنواخت و پایدار در جریان مشاهده می­ شود که با نام ناحیه یکنواخت مشخص شده است.

 

جریان غیر ریزشی در سرریز پلکانی

استهلاک انرژی در جریان غیرریزشی

بررسی استهلاک انرژی جریان در سرریزهای پلکانی دارای اهمیت خاصی است. در رژیم جریان غیرریزشی به دلیل تشکیل جریان با سطح آشفتگی بالا و همچنین جریان­ های چرخشی درون پله ­ها، نیروی اصطکاکی را ایجاد می­ کند که بخش اصلی استهلاک را بر عهده دارد. افراد متعددی روابط مختلفی برای استهلاک انرژی در جریان­ های غیرریزشی ارائه داده­ اند. در اینجا رابطه ارائه شده توسط دارسی-ویسباخ بیان شده است:

 

استهلاک انرژی در جریان غیرریزشی

 

 

 

در رابطه بالا، f فاکتور اصطکاک، Re عدد رینولز، Fr عدد فرود، a=tan(s/L) و Lc طول مشخصه، s ارتفاع پله، l عرض پله، Bعرض کانال می­ باشد. در نهایت فاکتور اصطکاک به شکل زیر در خواهد آمد.

 

استهلاک انرژی در جریان غیرریزشی

 

 

 

که در آن lf شیب خط انرژی می­ باشد.

 

رژیم جریان انتقالی (Transition flow)

افزایش جریان در یک سرریز پلکانی ممکن است نوعی الگوی جریان واسط بین جریان ریزشی و غیرریزشی را ایجاد کند، که آنرا جریان انتقالی می ­نامند. خصوصیات جریان انتقالی بر روی هر پله و نیز از هر پله به پله بعدی تغییرات طولی عمده ­ای از خود نشان می­ دهد که حاکی از جریان بسیار نامنظمی بر روی سرریز است. روابط زیر برای تشخیص جریان انتقالی در سرریز پلکانی توسط اشخاص مختلف ارائه شده است.

 

رژیم جریان انتقالی در سرریز پلکانی

 

 

 

 

 

 

 

 

در ادامه رژیم جریان ریزشی مورد بررسی خواهد گرفت.

رژیم جریان ریزشی (Nappe flow)

رژیم جریان ریزشی در دبی­ های کم رخ می­ دهد. جریان به صورت یک جت از هر پله به پله پایین­ تر برخورد می­ کند. استهلاک انرژی در اثر شکست جت در هوا و تشکیل پرش هیدرولیکی صورت می­ گیرد. در جریان ریزشی پرش هیدرولیکی همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است یا به صورت کامل و یا ناقص رخ می ­دهد.

 

جریان ریزشی در سرریز پلکانی

 

روابط زیر توسط اشخاص مختلف برای تشخیص رژیم جریان ریزشی ارائه شده است:

 

رژیم جریان ریزشی

 

 

 

 

 

 

 

در ادامه روند استهلاک انرژی در رژیم جریان ریزشی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

 

استهلاک انرژی در جریان ریزشی

در جریان­ های ریزشی استهلاک انرژی در اثر پرش هیدرولیکی و برخورد جریان با سطح پله شکل می­ گیرد. که به صورت رابطه زیر ارائه شده است.

 

استهلاک انرژی در جریان ریزشی

 

 

 

 

 

 

در رابطه بالا، Hd، ارتفاع تاج از پنجه سرریز، Hmax ماکزیمم هد آب در بدو ورود جریان به سرریز و ΔH تغییرات هد می­ باشد.

 

استهلاک انرژی در جریان ریزشی

 

برای افزایش استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی می ­توان  از روش­ های مختلفی مانند شیب دار کردن پله و.. مثل شکل زیر استفاده کرد.

 

استهلاک انرژی در سرریز پلکانی

دیدگاهتان را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. فیلدهای مورد نیاز با * مشخص شده است

نوشتن دیدگاه