هيدروليك جريان بر روي سرريزهاي كليدپيانويي تحت هندسه‌ متفاوت پايه‌ها

Effect of piers geometric on the hydraulic properties of Piano Key weirs

سابقه و هدف: با توجه به افزايش طول موثر و به دنبال آن افزايش راندمان تخليه در سرريزهاي كليدپيانويي مي‌توان از آن‌ها در سرريز سدها و يا سازه‌هاي تنظيم آب در شبكه‌هاي آبياري و زهكشي استفاده نمود. در اين پژوهش تاثير شكل هندسي پايه‌هاي نصب شده زير كليدهاي خروجي بر راندمان هيدروليكي اين سرريزها بررسي شده است. استفاده از اين سرريزها در مخازن سدها منجر به افزايش تراز سطح آب و افزايش حجم ذخيره در مخزن مي‌شود. در مطالعات گذشته بدون در نظر گرفتن شكل پايه با استفاده از مدل فيزيكي ضريب تخليه‌اي سرريزهاي كليدپيانويي به‌صورت روابط بدون بعد از پارامترهاي هندسي سرريز و بار آبي ارايه شده است. مواد و روش‌ها: به اين منظور ابتدا دو سرريز با نسبت‌هاي ارتفاع به عرض يك سيكل 33/1، (مدل 1) و 50/0، (مدل 2)، ساخته شد. همچنين در هر مدل، از پايه‌هاي تخت، مثلثي و نيم‌استوانه به همراه مدل شاهد (بدون پايه)، جهت مقايسه‌ راندمان هيدروليكي استفاده گرديد. در مجموع 8 مدل تهيه و در دبي‌هاي مختلف آزمايش‌هاي هيدروليكي انجام شد. محدوده تغييرات دبي به گونه‌اي انتخاب گرديد، تا در ابتدا، داده‌هاي زيادي جمع‌آوري شود و همچنين هم شرايط آزاد و هم شرايط مستغرق براي سرريز ايجاد گردد. حداقل دبي كاربردي 1 ليتر بر ثانيه با كنترل عدد وبر به‌عنوان پارامتر كشش سطحي و حداكثر 130 ليتر بر ثانيه در نظر گرفته شد. آزمايش‌ها در آزمايشگاه مدل‌هاي فيزيكي هيدروليكي دانشگاه شهيد چمران اهواز و در يك فلوم آزمايشگاهي به عرض كف 80 سانتي‌متر و طول 12 متر انجام شد. يافته‌ها: به‌طور كلي يافته‌هاي اين پژوهش نشان داد كه در مجموع راندمان تخليه هيدروليكي مدل 1، با نسبت P/Wu، برابر 33/1، بيش‌تر از مدل 2 با نسبت P/Wu برابر با 50/0، مي‌باشد. اين موضوع مستقل از شكل پايه‌هاست. از طرفي در هر دو مدل در يك بار آبي يكسان، دبي تخليه سرريز با پايه‌ مثلثي از ساير حالات بيش‌تر است. بر اساس نتايج به‌دست آمده از آزمايش‌هاي اين پژوهش مشخص گرديد كه در هر دو مدل سرريز كليد پيانويي تغييرات دبي- اشل خطي بوده و اين به مفهوم قدرت مناسب تنظيم‌كنندگي سطح آب بالادست سرريزهاي مي‌باشد. جهت مقايسه راندمان هيدروليكي سرريزهاي كليدپيانويي از معادله عمومي سرريزها، استفاده شد. در اين بخش نتايج نشان داد كه راندمان هيدروليكي پايه‌ مثلثي از ديگر شكل‌هاي بررسي شده بيش‌تر است؛ پايه نيم‌استوانه در جايگاه دوم قرار دارد و همچنين تفاوتي ميان پايه تخت و مدل شاهد (بدون پايه) وجود ندارد. در پايه‌ استوانه‌اي از نظر هيدروديناميكي خطوط جريان به‌‌صورت تدريجي داراي انحنا گشته و افت انرژي كم‌تري به وقوع مي‌پيوندد. از اين‌رو در مدل‌هاي 1 و 2، بيشينه‌ ضريب دبي محاسبه شده نسبت به حالت تخت و بدون پايه به‌ترتيب 15 و 17 درصد بيش‌تر است. نتيجه‌گيري: استفاده از پايه با شكل‌هاي مختلف اثر معني‌داري بر راندمان تخليه سرريزهاي كليدپيانويي دارد. به‌نحوي‌كه در مدل 1، بيشينه ضريب دبي براي پايه‌هاي مثلثي، نيم‌استوانه، تخت و مدل شاهد، به‌ترتيب برابر 61/0، 54/0، 48/0 و 46/0 به‌دست آمد كه اين مقادير در نسبت‌هاي استغراق (نسبت هد جريان بالادست سرريز، Ht، به ارتفاع سرريز، P) حدود 1/0 به وقوع پيوست.

Background and Objectives: Piano Key weirs (PKW) used in spillway of dams and regulating structures in irrigation and drainage network because of increasing the discharge efficiency. In the present study, the effect of geometric shape of piers, where are placed under outlet keys, have been evaluated on hydraulic efficiency. These structures increase the water level and water storage volume in the reservoirs of dam. In the previous study physical model has been used to extract discharge coefficient of Piano key weirs without any research on pier shape. Also some dimensionless relationships have been derived for discharge coefficient. Materials and Methods: To achieve these purposes two weirs built with the ratio of height to width of one cycle, P/Wu, 1.33 (Model 1) and 0.50 (Model 2). As a comparison to the hydraulic efficiency the different piers were constructed including of continues, Triangular, half cylindrical and without piers. However, eight models were made and the hydraulics experiments with various discharges were performed. Both of the free and submergence flow on the weirs could be considered with the variation of discharge. The Minimum and Maximum discharge in the all of experiments were 1 L/S and 130 L/S, respectively. The Weber Number as surface tension was controlled in the minimum of discharge. All of tests were performed at a flume with 0.8m width and 12 m length in physically and hydraulically models laboratory of Shahid Chamran University (SCU). Results: Generally, the results of this study showed that hydraulic discharge efficiency in model 1 with P/Wu=1.33 is more than model 2 with P/Wu=0.5. So this condition is independent of piers shape. However, discharge of weir with triangular pier was more than the other states in the same heads of both models. In addition, analysis of experiments result in both models showed that head-discharge curve of weirs is linear trend which it does specify this structure have an appropriate regulating of upstream water level. The general discharge equation of weirs was used for hydraulic efficiency analysis. In this stage results showed that the hydraulic efficiency of triangular pier is more than other piers. In addition, the half cylindrical piers is placed at second rank and there are no significantly different between continues and without piers. The streamlines with smoothly trends become curved at the half cylindrical pier and friction head losses decreased. Hence, the maximum of measured discharge coefficients in models 1 and 2 are more than continues and without any piers, 15 and 17 percents, respectively. Conclusions: Using the piers with various forms has a significant effect on the efficiency of the discharge Piano Key weirs. So that the maximum discharge coefficients are 0.61, 0.54, 0.48 and 0.46 for triangular, half cylindrical, continues and without piers at model 1, respectively. However, these coefficients obtained in the constant Ht/P (Ht is upstream head water and P is weir height) which was about 0.1.