بررسي حالت تشديد و تشكيل امواج با حداكثر دامنه در برخورد جريان به موانع با استفاده از چهار قطر مختلف

Investigation of resonance and generated transverse waves with maximum amplitude from obstructions by use of four different sizes

در بسياري از مواقع مجموعه اي از موانع مانند پايه هاي پل در مسير رودخانه، پايه هاي اسكله در دريا، وجود گياهان و درختان در بستر رودخانه و پايه هاي هر سازه هيدروليكي ديگر كه در يك مجراي روباز قرار دارد، در مسير حركت آب قرار مي گيرد. با عبور آب از بين اين موانع استوانه اي، در پايين دست موانع ورتكس ايجاد شده و از همپوشاني ورتكس ايجاد شده از هر كدام از موانع، امواج سطحي كه راستاي انتشارشان عمود بر جهت جريان آب است، تشكيل مي شود. اين امواج با حداكثر دامنه، زماني شكل مي گيرند كه بسامد نيروي ناشي از ورتكس موانع با يكي از بسامدهاي طبيعي نوسان آب برابر شود و تشديد صورت پذيرد. مساله موج عمود بر جريان جز پديده هاي بسيار جالب هيدروليكي است و درباره آن كار تحقيقاتي جامع، كامل و مهمي در دنيا صورت نگرفته و در اين رابطه تحقيقات مختلف و جامعي در مجاري بسته و در سيالاتي به غير از آب صورت گرفته است. در سالهاي اخير تحقيقاتي در كانالهاي روباز توسط زيما و همكاران، قمشي و همكاران و عزيزي انجام شده است. هدف از انجام اين تحقيق، بررسي حالت تشديد و تشكيل امواج با حداكثر دامنه در برخورد جريان به موانع با استفاده از چهار قطر مختلف بوده است. در اين تحقيق در مجموع 3304 آزمايش صورت پذيرفت كه در 398 آزمايش، جريان بر روي موانع استوانه اي مستغرق بود. در اين آزمايشات پارامترهاي فواصل طولي و عرضي موانع، تراكم، قطر، دبي، آرايش موانع، عمق و سرعت جريان متغير بود. در مجموع 166 نوع آزمايش وجود دارد كه در آنها پارامترهاي فواصل طولي و عرضي موانع، تراكم، قطر، دبي و آرايش موانع يكسان مي باشد. در هر نوع آزمايش، با تغيير عمق و سرعت جريان به وسيله دريچه انتهايي فلوم، امواج مختلفي در عرض فلوم تشكيل شد، كه حداكثر دامنه موج عرضي مشاهده شده در آزمايشات 40 درصد بوده است. براي انجام اين تحقيق از موانع استوانه اي با چهار قطر مختلف به 25 و 42 ميليمتر استفاده شد و همين امر از عوامل بسيار مهم و تاثير گذار بر روي شكل گيري ده نوع موج عرضي ،12 ، اندازه 5 در فلوم بوده است. با گستردگي متغيرها، در برخي از حالات تشكيل امواج عرضي با حداكثر دامنه در حالت استغراق موانع نيز و انجام تجزيه و تحليلهاي آماري رابطه اي جهت محاسبه SPSS صورت پذيرفت. پس از انجام آناليز ابعادي و با استفاده از نرم افزاز دامنه نسبي ماكزيمم امواج عمود بر جريان ناشي از ورتكس مجموعه اي از موانع استوانه اي در كانالهاي روباز بدست آمده است. مدل ارايه شده در تحقيق براي پيش بيني دامنه نسبي ماكزيمم امواج با استفاده از پارامترهاي بدون بعد اندازه گيري شده در تحقيق حاضر كه در ساخت مدل دخالت نداشته اند، مورد بررسي قرار گرفت كه مدل ارايه شده پيش بيني نسبتا خوبي را دارا بود.

There are many conditions in open channel flows where the steady flow of water passes through a cluster of vertical cylinders. These vertical cylinders may represent piers of bridge, jetty or vegetation on the floodplain of rivers. Research on vortex shedding has been mainly focused on the acoustic resonant noise generated from heat exchangers when a gas flows through bank of tubes. In contrast, research on the vortex shedding and related phenomena for water as the transfer medium is very limited. Consider a free stream of velocity U that flows past a cylinder of diameter D, Periodic vortex shedding occurs downstream from the cylinder when the Reynolds Number, defined in terms of the cylinder diameter is greater than approximately 40. When each vortex is shed, the cylinder and the fluid experience equal and opposite forces. These forces have components perpendicular to the direction of the mean flow and are the exciting forces capable to create transverse surface waves. In this study attention is focused on the transverse waves generated in an open channel, where the flow passes through a cluster of rigid vertical cylinders. The experiments were conducted in a laboratory flume with 6m in length and 0.72m in width and 0.6m in height. The rigid rods were screwed into the bed of the flume at different distances and spacing (i.e. different T and P) and for pattern distributions (i.e. staggered and in-line). In this study, the height of the outlet control weir was changed from the highest to the lowest levels, with ten modes of oscillation occurring across the laboratory flume for each sequence and the discharge of flow was varied. A comprehensive set of experiments (3304 in total) were conducted in flume. In some of the experiments (398 Exp.) the flow was submerged on the obstructions and for some of these experiments the waves still were formed. The waves were produced from the periodic forces created by the vortex shedding from the cylinders. In specific conditions these forces may create transverse waves with maximum amplitude in the channel. The maximum relative amplitudes in each mode of the waves (in each type of the experiments) are selected and used for the further analysis. The results provided an explanation for different wave formations that might occur due to vortex shedding for free and submerged flow on the obstructions. Finally new formulations were obtained from dimensional analysis, to estimate the amplitude of the transverse wave generated by vortex shedding in open channels.