توزيع سرعت و آشفتگي جريان دوفازي آب و هوا در كانال‌هاي سيلابروي پلكاني

Velocity and turbulence distribution in two phase air-water flows on stepped floodway channels

حفاظت خاك در برابر فرسايش سيلابي براي بهره‌برداري بهينه از منابع آب ‌و خاك بسيار ضروري است. يكي از روشهاي ساختماني موثر و كارآمد در تخليه سيلاب در مناطق پرشيب شهري، استفاده از كانالهاي‌سيلابروي‌پلكاني مي‌باشد. مشخصه عمده جريان عبوري از كانالهاي‌سيلابرو‌ي‌پلكاني، وجود تلاطم بسيار شديد و هوادهي سطحي زياد مي‌باشد كه در اغلب مطالعات صورت پذيرفته، خصوصيات آشفتگي و تلاطم جريان بطور كامل مورد بررسي و ارزيابي قرار نگرفته است. در اين تحقيق، جريان كاملاً متلاطم آب‌وهوا بر روي مدل فيزيكي نسبتاً بزرگ مقياس از سرريز پلكاني بصورت سيستماتيك مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است. مطالعه آزمايشگاهي حاضر شامل اندازه‌گيري‌هاي مربوط به ويژگي‌هاي جريان آب- هوا در رژيم‌هاي مختلف جريان بر روي مدل تنداب پلكاني(متر 10/0 = l ، متر 04/0= h ،?8/21 =?)، بر روي موقعيت آستانه شروع هوادهي طبيعي جريان، پروفيل‌هاي سرعت و نيز شدت آشفتگي جريان مي‌باشد. براي انجام اندازه‌گيري هاي مربوط به تعيين پروفيل سرعت و پارامتر شدت آشفتگي در امتداد جريان دوفازي عبوري از سرريز، از دستگاه كاوشگر الكتريكي دو سوزنه كه توسط نويسندگان، طراحي، توسعه و واسنجي شده است، استفاده گرديد. نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه مشخصه‌هاي تلاطم در نواحي مختلف از عمق جريان بر روي پله‌ها متفاوت مي‌باشند. بطور كلي، نتايج نشان داد كه 1- پارامتر شدت تلاطم‌در مجاورت كف پله و در زير لايه لزج بسرعت افزايش يافته و در محدوده ناحيه مياني(5/0? y/dc ? 4/0) به حداكثر مقدار خود مي رسد و سپس در ناحيه فوقاني از عمق جريان بتدريج كاهش مي‌يابد 2-توزيع قايم سرعت در جهت جريان از قانون تواني پيروي مي‌كند و در مجاورت سطح آزاد جريان به بيشينه مقدار خود خواهد رسيد 3- تشديد تلاطم در ناحيه مياني از عمق جريان ناشي از تغيير شكل‌ها و اصلاحات پيوسته در ساختار سطحي جريان آب- هوا مي‌باشد.

Soil conservation against flood erosion is very important for optimal use of soil and water resources. Stepped floodway channels are one of the essential structural approaches for soil protection against flood flows in high slope lands at urban areas. In these channels flows are characterized by intense turbulence and strong flow aeration, but most studies did not investigate the turbulence characteristics. In this study, highly turbulent air-water flows skimming down a large-size stepped chute were systematically investigated. An experimental study of detailed air-water flow properties measurements were introduced in different types of flow regimes on a stepped channel (? = 21.8?, h=0.04m, l=0.10m) model to investigate the location and the flow depth at inception point of air entrainment and velocity profiles distributions. Detailed velocity and turbulence intensity measurements in flow direction were performed by use of a phase detection conductivity probe which was designed, developed and calibrated by writers. The results showed that the turbulence characteristics vary in different regions. The study showed further that the turbulence intensity increases rapidly close to the step bottom at the viscous sub layer and maximized for 0.4? y/dc ? 0.5 at intermediate region then decreases gradually in the upper region. It is hypothesized that the high turbulence levels in the intermediate region were caused by the continuous deformations and modification of the air-water interfacial structure.