بررسي آزمايشگاهي جريان كفزا در شيب شكن ورتكس

Experimental Investigation of Foam Producing Flow in dro‎p Vortex

از شيب شكن ورتكس براي انتقال فاضلاب به تراز پايين تر در نواحي پرشيب استفاده مي شود. اين سازه معمولاً در اختلاف ترازهاي بيش از پنج متر بكار برده مي شود. از آنجا كه اختلاط آب و هوا در سازه ورتكس نسبتاً زياد است، وجود مواد شوينده كف زا در جريان فاضلاب ميتواند موجب تشكيل كف در بخش هايي از اين سازه شود. اين پديده مي تواند بر بده هواي عبوري از سازه اثرگذار باشد و موجب اختلال در كاركرد هيدروليكي آن شود، زيرا خروجي هواي سازه در اثر كف ميتواند مسدود شود. به علاوه، كف ايجاد شده ممكن است به سطح زمين برسد و موجب ايجاد مسائل بهداشتي شود. در اين پژوهش با استفاده از روش طرح آماري آزمايشها تاثير جريان كفزا بر بده هواي خروجي از سازه ورتكس، توسط مدل فيزيكي مطالعه شده است. تاثير عدد غلظت (نسبت جرم ماده شوينده در واحد حجم آب به وزن مخصوص آب)، نوع ماده كفزا و عدد فرود بر متغير پاسخ (نسبت دبي هوا به دبي جريان) در قالب طرح 33 فاكتوريل كامل و با انجام 63 آزمايش بررسي شد. براي اين منظور مدل 1:20 سازه -5 ،0/7×10- ورتكس فاضلاب روي شرقي تهران در آزمايشگاه سازه هاي هيدروليكي دانشگاه شهيد كرمان، ساخته شد عدد غلظت در سه سطح 5 0 بررسي شدند. آناليز نتايج / 0، و 069 /046 ،0/ 1/9 ، سه نوع ماده شوينده كفزا به نامهاي ريكا، پريل، و اكتيو، و سه عدد فرود 023 ×10- 1/3 ، و 5 ×10 نشان داد كه تاثير عوامل بررسي شده بر بده هوا از نظر آماري معنيدار بوده است و با افزايش عدد غلظت و عدد فرود، بده نسبي هواي خروجي كاهش يافته است. آناليز واريانس نتايج مشخص كرد كه آثار اصلي عدد غلظت و عدد فرود و همچنين آثار اندركنشي عدد غلظت با نوع ماده كفزا و سه فاكتور با هم از نظر آماري در سطح 1% معنيدار بوده است. همچنين مشاهده شد كه اثر نوع ماده كفزا بر نتايج بطور قابل توجهاي كم بوده است. به علاوه، براي پيشبيني جريان هوا در ورتكسهاي مشابه تحت جريان كفزا يك مدل رياضي بدون بعد كه نشان دهنده 65 % تغييرات در نتايج بود ارائه شد. مدل معرفي شده شامل سه معادله است كه هريك مربوط به يك نوع ماده كفزا است. همچنين سه آزمايش در سه تكرار براي جريان غيركفزا به عنوان آزمايشهاي شاهد تحت اعداد فرود قبلي انجام شد. براساس نتايج بدست آمده از اين آزمايشها يك مدل خطي بدون بعد ارائه شد كه از آن ميتوان براي پيش بيني جريان هوا در سازه هاي ورتكس مشابه تحت جريان غيركف زا استفاده كرد. به علاوه، با مقايسه نتايج مربوط به جريان كفزا و غيركف زا مشاهده شد كه تشكيل كف در اين سازه موجب افزايش دبي هوا تا 82 % و در شرايطي موجب كاهش آن تا 64 % شده 0 همواره موجب افزايش جريان هوا / 1/1 و اعداد فرود بيشتر از 047 ×10- است. همچنين نتايج نشان داد كه جريان كفزا در اعداد غلظت كمتر از 5 شده است.

dro‎p vortex is utilized to convey sewage across elevation change in steep catchments. This structure is generally used when the elevation difference is more than 5 m. dro‎p vortex is composed of three main parts, namely inlet structure, dropshaft, and energy dissipation structure. Water flow is prepared for circulating in dropshaft by inlet structure. In this part, a hydraulic jump might take place. Flow velocity in dropshaft rapidly increases and adjacent air enters the water flow. At the energy dissipation structure entranced air to the water flow is evacuated and the flow’s excessive energy is dissipated. Since the air and water flow are extensively combined in drop vortex and the sewage flow might contain detergent and foam producing materials, foam could produce in some parts of the drop vortex. This phenomenon could affect vortex airflow and reduce drop vortex hydraulic performance since the foam could blockage the air outflow path. Additionally, the produced foam might rich to the ground surface and cause sanitary issues. In this investigation, the effects of Foam Producing Flow (FPF) on vortex air discharge were studied by a scaled model and statistical Design of Experiment (DoE) methodology. Effects of Concentration Number (the ratio of detergent mass in the unit volume of water to water specific weight), detergent type, and Froude Number on the dependent variable, air discharge to water discharge ratio, were studied by 33 full-factorial design and 63 runs. In this regard, a 1:20 scaled model of Tehran eastern sewer drop vortex was built at the Hydraulic Structures Laboratory of Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran; and three Concentration Numbers as 0.7×10-5, 1.3×10-5, and 1.9×10-5, three detergent brands, namely Rika, Peril, and Active, and three Froude Numbers as 0.023, 0.046, and 0.069 were tested. Analysis of the results revealed that design factors had meaningful effects on vortex air discharge and it decreases by the increase of Concentration and Froude Numbers. Analysis of variance (ANOVA) shown that the main effects of Concentration Number and Froude Numbers, as well as the interaction effects of Concentration Number with detergent type and all three factors, were statistically meaningful at 1% significant level. It was noticed that the effect of detergent type on the result was considerably low. Also, a dimensionless numerical model that represents 65% of the variability in the result was presented, which could be utilized to predict drop vortex airflow in a similar drop vortex with FPF. This model includes three equations which each one is for one detergent type. Moreover, three experiments under former Froude Numbers in three iterations with clean water were performed as reference experiments. According to them, a dimensionless linear numerical model was presented. This relationship could be applied to predict air discharge in a similar drop vortex without foam producing flow. Furthermore, by drowning an analogy between the results of FPF and clean water experiments it was illuminated that foam formation could boost air discharge by 82% and in some conditions could reduce it more than 64%. The result showed that FPF always resulted in airflow discharge increases for all studied detergent types if Concentration Number was lower that 1.1×10-5 and Froude Number was greater than 0.047.