جریان از روی سرریزها

جریان از روی سرریزها:

مقدمه : هدف از این آزمایش اصلاح رابطه توانی Q و h و تعیین ضریب تخلیه c می باشد.

طبق تعریف هر مانعی که بر سر راه جریان در کانال قرار گیرد و باعث شود تا آب در پشت آن بالا آمده و بر سرعت آب در ضمن عبور از روی آن افزوده شود، سر ریز نامیده می شود.

از موارد مهم کاربرد سر ریزها عبارتند از: اندازه گیری شدت جریان در کانالها، جریان آب روی سر ریز سدها ، مطالعه مقاطع جاده در مواردی که کالورت ها تحت تاثیر جریان سیلاب قرار گرفته اند، سر ریزهای بکار برده شده در شبکه های أبرسانی و فاضلاب جهت تخلیه یا پخش و … می باشند.

سر ریزها را از نظر شکل تاج و اینکه أیا تمام یا قسمتی از عرض کانال را گرفته اند، تقسیم بندی می نمایند. در مهمولترین تقسیم بندی ها، سر ریزها به دو گروه "سر ریز لبه تیز" و "سر ریز لبه پهن" تقسیم می شوند. همچنین سر ریز های می توانند به اشکال مختلف باشند.

سر ریز لبه تیز مستطیلی (در حالت مستغرق) : اغلب از سر ریزهای لبه تیر برای اندازه گیری جریان استفاده می شود.

برای محاسبه دبی جاری جاری شده از روی این سر ریزها و بطورکلی در سرریزهای لبه تیز مفهوم عمق بحرانی در روی سرریز قابل استفاده نبوده، بلکه برای این منظور فرض می گردد :

      1.         ارتفاع آب در روی سر ریز همان Hd  باقی مانده و انقیاض و کاهش عمق وجود ندارد.

      2.         سرعت آب در روی سرریز تقریباً افقی است.

  3.   فشار در تمام مقطع همان فشار اتمسفر یک باشد.(در این حالت فرض می گردد که سر ریز نظیر یک روزنه عمل می نماید).

تئوری آزمایش:

یک خط جریان نمونه (Stream line ) را از یک نقطه در سرآب تا یک نقطه در صفحه سرریز مورد مطالعه قرار می دهیم. با فرض یک سرعت یکنواختV  در بالادست سر ریز، انرژی مخصوص عبارت خواهد بود: 

E=a+h+V2/2g

و این انرژی در طول مقطع ثابت خواهد بود. فرض می کنیم سرعت در امتداد خط جریان مفروض، در صفحه سر ریز V و ارتفاع خط جریان روی تاج سر ریز Z باشد.

حال اگر افت انرژی در طول خط جریان وجود نداشته باشد و فشار در صفحه سر ریز آتمسفر یک باشد معادله برنولی را بصورت زیر می توان نوشت:

E=a+h+V2/2g=a+z+V2/2g

با توجه به ناچیز بودن انرژی سرعتی V2/2g در بالا دست در مقطع تقرب و صرفنظر از آن در فرمول فوق سرعت روی سرریز بدست می آید:

در مقطع 2 روی سر ریز :                                                                 

برای یک عنصر دبی عبور از عنصر ارتفاع  dz  و عرض B  می توانیم بنویسیم:

dQ=β.dq=V.β.dz

dQ= β.dq=√(2g(h-z)). β.dz

بشرط آنکه V افقی باشد، با صرفنظر از انقباض جهت ججریان در صفحه سرریز می توان دبی کل را بصورت زیر بدست آورد:

Q=∫dQ=∫√(2g(h-z)). β.dz

با انتگرال گیری خواهیم داشت:

Q= 2/3 β √2g .h3/2

حال لازم است به دلیل مفروضات متعددی که در دیفرانسیل بکار بردیم ضریب بی بعدc  را در رابطه فوق وارد سازیم:

Q= c.2/3 β √2g .h3/2

سر ریز لبه پهن : دراین نوع سر ریز ها، لبه سرریز به اندازه کافی پهن بوده و در مقایسه با سایر ابعاد، دارای اندازه قابل ملاحظه ای می باشد. تاج سرریزهای لبه پهن افقی و یا دارای انحنا خاصی بوده و اگر چه برای اندازه گیری دبی نیز مورد استفاده قرار می گیرد اما بیشتر به عنوان سر ریز سدها و گاه به عنوان خود سد (در صورتیکه آب مجاز به گذشتن از روی آن باشد) بکار می روند و در هر حال می توان در مواقع لزوم برای ذخیره نمودن حجم های زیاد آب و ارتفاع های بالا، از سرریزهای لبه پهن استفاده نمود.

سر ریز لبه آبریز(Overflow Spillway , Ogee Spillway) : این سر ریزها که از مهمترین و مشهورترین سرریزهای از نوع سرریز سدها می باشند  که بر اساس محاسبات هیدرولیکی مربوط به سر ریزهای با تاج مدور به گونه ای طراحی می گردند که پروفیل تاج و جلو ساختمان آن ها منطبق بر سطح زیرین آب لبریز شده از یک سرریز لبه تیز مستطیلی با همان مشخصات مورد نیاز در بالادست جریان اصلی باشد.

روند آزمایش : ابتدا سرریز را بصورت قائم در کانال، بالا دست بحرانی خروجی قرار می دهیم (ابتدا از سرریز لبه تیز استفاده می کنیم) و دستگاه را روشن می کنیم (ابتدا دبی را کم می کنیم و سپس در هر مرحله به وسیله پیچ تنظیم موتور پمپ دستگاه دبی را به تدریج اضافه می کنیم) و سپس بر روی مانومترهای نصب شده بر روی دستگاه دو عدد h1 و h2 را قرائت می کنیم و دبی دستگاه را یکبار به وسیله جدول ارائه شده در جزوه و یکبار به وسیله فرمولهای تئوری بدست می آوریم (باید توجه کنیم که در سر ریز لبه تیز به علت اینکه جت آبیی که از روی سرریز عبور می کند باید از وجه پایین دست سر ریز جدا باشد و آزادانه به آنسوی سرریز جهش نماید باید بوسیله لوله هوادهی، زیر تیغه جریان که از روی سرریز عبور می کند هوادهی شود تا جدایی تیغه از وجه پایین دست سرریز را تأمین کند و هنگامیکه دیگر نتوانستیم جدائی تیغه از وجه پایین سرریز را تأمین کنیم، اندازه گیری باید متوقف شود.

محاسبه دبی عبوری : همانطور که قبلاً ذکر شد یکبار دبی واقعی دستگاه به وسیله نمودار داخل جزوه اندازه گیری می کنیم و یکبار بوسیله فرمولهای زیر:

Q= 2/3 β √2g .h3/2

 

پرش هیدرولیکی :  پرش یاجهش هیدرولیکی از نوع جریانهای متغیر سریع استکه در بسیاری از کارهای عملی با آن روبرو بوده و آن عبارت است از تغییر حالت جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی. چنانچه آب در قسمتی از مسیر دارای حالت فوق بحرانی بوده و بنا به مشخصات و موقعیت کانال بخواهد تغییر حالت دهد، عمق جریان در مسیر نسبتاً کوتاهی به میزان قابل ملاحظه ای افزایش یافته و نتیجتاً ضمن ایجاد افت انرژی محسوس، از میزان سرعت به میزان قابل توجهی کاسته می شود. این پیده که یکی از پدیده های مهم جریان آب در کانالهای باز بوده و از ابتدا تا انتهای آن یک تلاطم و پیچش سطحی آب وجود دارد، به پرش هیدرولیکی یا پرش آبی موسوم است.در چنین حالت و به تناسب شدت پرش، آشفتگی هایی در سطح آب دیده می شودکه بتدریج که به سمت انتهای پرش نزدیک می شویم از شدت آنها کاسته شده و متناسباً به جهت تبدیل انرژی به گرما، انرژی آب نیز کاهش می یابد. علاوه بر آن به جهت آشفتگی و تلاطم و بر اثر برخورد آب با هوا، مقداری هوا با در قسمتهای سطحی مخلوط شده که به سمت پایین دست منتقل و نهایتاً به شکل حباب هوا رها می گردد

نتایج آزمایش :

      ü        روابط بین دبی تئوری و دبی عملی با تقریب بسیار خوبی بصورت رابطه ای خطی می باشد.

  ü   ضریب تخلیه در سرریز اوجی از همه بیشتر (889/0) و در سر ریز های لبه تیز (757/0)، ایرودینامیک(746/0)، مستطیلی لبه گرد (701/0) و مستطیلی لبه تیز (670/0) به تر تیب کمتر است.

  ü   اندازه ضریب تخلیه نشان می دهد که دبی بدست آمده در سر ریز لبه تیز به دبی واقعی نزدیکتر است.

      ü        بین تغییرات دبی با عمق آب رابطه أی توانی از درجه n  بصورت Q=KHn  برقرار است.

       ü         به علت بالا بودن سطح آب در مخزن بالای پمپ در سطح آب با یک جهش هیدرولیکی مواجه هستیم.

      ü        مانومترهای ورودی مقاطع با کاهش دبی , کاهش ارتفاع و با افزایش دبی , افزایش ارتفاع دارند.

      ü        مانومترهای خروجی مقاطع کنترل باکاهش دبی , افزایش ارتفاع دارند.

منابع خطا :

  ü   خطا در خواندن مانومترها به دلیل تقعر سطح آب و عدم شفافیت لوله ها و موازی نبودن کامل خط دید با سطح واقعی آب.

      ü        خطا در خواندن مانومتر ها به دلیل نوسان اندک سطح آب به دلیل یکنواخت نبودن واقعی جریان.

      ü        نوسان داشتن دبی ورودی دستگاه.

  ü   وجود مقدار کم ولی غیر قابل اجتناب اصطکاک بین سیال و جداره مقاطع دستگاه به دلیل لزجت سیال و زبری کم دیواره کانال.

  ü   استفاده از معادلات برنولی در محاسبات هد انرژی جنبشی در صورتیکه جریان سیال به دلایل فوق واقعاً یکنواخت نبوده و تلفات کاملاً صفرنیست.

      ü        عدم دقت نمودار محاسبه دبی واقعی و خطاهای ناشی از قرائت نمودار.

      ü        وجود جرم در آب و یا وجود حباب هوا در لوله ها.

      ü        خطی ناشی از قرائت ارتفاع سنج و پیتومتر.

      ü        ثابت نبودن سطح آب در قبل و بعد از سر ریز.

      ü        صرفنظر کردن از هد سرعت در مقطع تقعر به علت ناچیز بودن.