بررسي آزمايشگاهي ضريب دبي در سازه تركيبي سرريز مركب -روزنه

Experimental investigation of flow discharge coefficient for combined system of compound weirs-orifices

سابقه و هدف: سرريزها و روزنه‌ها (دريچه‌ها) از جمله سازه‌هاي هيدروليكي هستند كه به ترتيب براي كنترل عمق و دبي جريان به‌ كار مي‌روند. همچنين هر دو سازه به طور وسيع براي اندازه‌گيري دبي جريان نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از مهم ترين دلايل استفاده از اين سازه‌ها به‌عنوان وسايل اندازه‌گيري، داشتن رابطه دبي-اشل ساده است. هم‌چنين در مواردي كه جريان آب انتقالي حاوي مواد رسوبي و اجسام شناور باشد، تركيب اين دو سازه باعث بهبود عملكرد سيستم مي‌شود. يكي از گزينه‌هايي كه براي افزايش كارايي سازه تركيبي سرريز-روزنه قابل استفاده است، تركيب سرريزهاي مركب با روزنه مي‌باشد. مطالعات بسيار محدودي در اين زمينه وجود دارد. مواد و روش‌ها: اين پژوهش با هدف بررسي آزمايشگاهي ضريب دبي در سازه تركيبي سرريز مركب (مثلثي-مستطيلي) روزنه انجام شده است. آزمايش‌ها در يك فلوم مستطيلي به طول 10 متر و عرض 40 سانتي‌متر انجام شده است. در اين آزمايش‌ها از سرريزهاي مثلثي با زواياي 45، 60 و 90 درجه و روزنه‌هاي مستطيلي استفاده شده است. عرض سرريز مستطيلي 40 سانتيمتر است. يافته‌ها: نتايج اين پژوهش نشان داد كه براي سازه سرريز مركب در تمامي زواياي مورد مطالعه، با افزايش ارتفاع نسبي سرريز (نسبت هد آب يا بار آبي روي سرريز به ارتفاع سرريز)، ضريب دبي سرريز مركب افزايش مي‌يابد. با وجود تغييرات نسبتاً زياد بار آبي روي سرريز و نيز زواياي سرريز مثلثي، تغييرات ضريب دبي سرريز مركب نسبتاً كم بوده و در محدوده 0/58 تا 0/61 تغيير مي‌كند. اين مسئله بيانگر اهميت تعيين دقيق اين ضريب براي سازه سرريز مركب است. همچنين مشخص شد كه با افزايش زاويه رأس مثلث در سرريزهاي مركب، ضريب دبي اين سازه افزايش مي‌يابد اين در حالي است كه با افزايش اين زاويه در سرريزهاي مركب-روزنه، ضريب دبي سازه مذكور كاهش مي‌يابد. ارتفاع بازشدگي روزنه نيز بر ضريب دبي سازه تركيبي سرريز مركب-روزنه موثر است به طوري‌كه با افزايش اين پارامتر، ضريب دبي سازه تركيبي كاهش مي‌يابد. همجنين مشخص شد كه ضريب دبي سازه تركيبي سرريز مركب-روزنه تا حدودي كمتر از ضريب دبي اين سازه در حالت بدون روزنه است. نتيجه‌گيري: با توجه به نتايج به‌دست آمده از اين پژوهش مي‌توان بر اساس اطلاعات ساده‌اي مثل هندسه سرريز مركب و روزنه و نيز عمق جريان در بالادست سازه تركيبي سرريز مركب-روزنه، ضريب دبي را با دقت مناسبي محاسبه نموده و اين سيستم تركيبي را با اطمينان در كانال‌هاي و شبكه‌هاي آبياري مورد استفاده قرار داد. در اين صورت ضمن كنترل مناسب تراز سطح آب توسط سرريز مركب، انتقال رسوب معلق وارد شده به كانال نيز از روزنه به خوبي انجام خواهد شد.

Background and Objectives: Weirs and orifices (gates) are the main hydraulic structures for water level and flow discharge control, respectively. They are also extensively used for flow discharge measurement. Having a simple stage-discharge relationship is the most important reason for using these structures as measuring instruments. Also combination of these two structures causes an improvement of system performance, when the flow is heavily sediment-laden or carries considerable loads and floating objects. One of suitable solution that can be used to increase the efficiency of weir-orifice structures is compound weir-orifice. There are very limited investigations in this regard. Material and Methods: This study has been conducted with the aim of investigating the discharge coefficient for combined compound weir (triangular-rectangular)-orifice structures. Several experiments have been carried out in a rectangular flume with length of 10m and width of 0.40m. Triangular notch weirs with angles of 45, 60 and 90 degrees and rectangular orifices have been used. The width of rectangular weir in upper section is 40cm. Results: The results of this study showed that for compound weirs in total selected angles, with increasing of weir height ratio (relation of head water on compound weir to the weir height), discharge coefficient of compound weir increases. In spite of high variations of head water on the weir as well as triangle weir's angles, variation in discharge coefficient is very low and changes between 0.58-0.61. This fact defines the importance of precise estimation of discharge coefficient for compound weirs. Furthermore, it was found that by increasing the angle of the triangle weir, the discharge coefficient increases while for compound weir-orifice structure, the discharge coefficient decreases. The opening height of orifice is also effective on the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures so that with increasing of this parameter, discharge coefficient decreases. It is also found that the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures is slightly lower than the discharge coefficient of the compound weirs without orifice. Conclusion: according to the results obtained in this study, one can properly estimate the discharge coefficient of combined compound weir-orifice structures given the simple data such as geometry of compound weir and orifice and also the flow depth in upstream of the weir and hence, utilize this structure in the main irrigation networks and canals. In this case, the proper control of water surface elevation by compound weir as well as suspended sediment transport through the orifice would be achieved.