مطالعه فيزيكي سرعت و تنش برشي جريان در كانال عريض با جداره ثابت

Physical Study of Flow Velocity and Shear Stress in a Wide Rigid Boundary Channel

خصوصيات هيدروليكي جريان در آبراهه ­هاي عريض، به دليل وجود نسبت بالاي عرض به عمق جريان، b/h، شرايط متفاوت­ تري نسبت به كانال هاي كم عرض دارد. در اين تحقيق، با استفاده از مدل فيزيكي يك كانال عريض با جداره ثابت به طول 60 متر و عرض 1/5 متر با نسبت عرض به عمق جريان 12 الي 56، مشخصه­ هاي هيدروليكي جريان در كانال­هاي عريض، شامل رابطه دبي-عمق، توزيع­ هاي سرعت و تنش برشي جريان مورد بررسي قرار گرفت. نتايج تحقيق نشان مي­ دهد كه سرعت حداكثر در كانال­هاي عريض در نزديكي سطح جريان رخ مي ­دهد. از بررسي توزيع قائم سرعت جريان آشكار مي­ شود كه اين توزيع از قانون معروف لگاريتمي پيروي مي­ كند. همچنين نتايج حاصل بيان مي كند كه تنش برشي حداكثر در محور مياني كانال عريض بوجود مي ­آيد و با افزايش نسبت عرض به عمق، b/h، تنش برشي بي بعد افزايش مي­ يابد. در b/h­ هاي كمتر از 30، تنش برشي بي بعد كف كوچكتر از 0/9 و براي b/h هاي بزرگتر از 30، تنش برشي بي بعد كف بزرگتر از 0/9 مي باشد. مقايسه نتايج كانال­هاي عريض و كانال­هاي با عرض بهينه به نسبت b/h=2 گوياي آن است كه در كانال­هاي كم عرض، رابطه بين نسبت b/h با تنش برشي به صورت خطي است ولي در كانال­هاي عريض رابطه تواني بر آنها حاكم است. همچنين در كانال­هاي عريض، درصد سهم نيروي برشي ديواره­ ها (%SFW) به دليل عمق كم جريان كمتر از 10 و ناچيز بوده و مي ­توان براي منظورهاي طراحي از سهم ديواره­ ها در تنش برشي صرفنظر نمود.

Hydraulic characteristics of wide channels differ from narrow channels due to the higher ratios of width to depth, b/h. In this research, using a physical model of a rigid boundary channel having 60m length, 1.5m width and a bed slope of 0.001 with b/h ratio of 12 to 56, hydraulic characteristics of wide channels including: stage-discharge relationship, velocity and shear stress distributions were experimentally considered. The results indicate that the maximum velocity in the wide channel was occurred nearby the water surface. Investigation of the vertical velocity distribution reveals that the flow velocity follows the well-known logarithm distribution law. The also results show that the shear stress was maximized in the centerline of channel section, and the dimensionless shear stress was increased by increasing the ratio of b/h. In ratios of b/h less than 30, the dimensionless bed shear stress value is less than 0.9 and in case of b/h greater than 30, it is greater than 0.9. A comparison of the results for wide channels and channels with an optimal width of b/h=2, reveals that the relationship between b/h and shear stress in narrow channels is linear, while in wide channels a power relationship is governing. Moreover, in wide channel sections, the percentage of shear force on the walls (%SFW), due to the low depth of flow which is less than 10 and negligible, so that to contribute the walls to the shear stress can be ignored for design purposes.