تيوري خودمانايي و ارايه روابط تعيين دبي دريچه‌هاي كشويي با انتهاي استوانه‌اي در جريان آزاد و مستغرق

Self-Similarity Theory to determine head-discharge relationships of sluice gates with cylindrical edge in free and submerged flows

سابقه و هدف: دريچه‌ها از جمله پركابردترين سازه‌ها براي كنترل سطح آب و دبي جريان در كانال‌هاي روباز هستند. با اين وجود دريچه‌هاي كشويي لبه‌تيز، داراي ضريب فشردگي پايين و در نتيجه ظرفيت عبوري كمي مي‌باشند. در اين پژوهش به بررسي آزمايشگاهي عملكرد هيدروليكي دريچه تلفيقي هندسي از دريچه كشويي و دريچه طبلي پرداخته شده است. مواد و روش‌ها: آزمايش هاي اين پژوهش در آزمايشگاه هيدروليك گروه مهندسي آب دانشگاه فردوسي مشهد در فلوم مستطيلي به طول 10 متر، عرض 30 سانتي متر و ارتفاع 46 سانتي متر انجام گرفت . در اين پژوهش در مجموع از هشت دريچه كه شامل چهار دريچه استوانه اي كامل و چهار دريچه نيم استوانه با قطر هاي 63، 90، 125 و 200 ميلي‌متر است، استفاده شده است. رابطه بي‌بعد دبي اشل با استفاده از روش آناليز ابعادي و تيوري خودمانايي ناقص ارايه شده است. اين رابطه دبي جريان عبوري را به بار آبي بالادست دريچه، بازشدگي دريچه و قطر استوانه انتهايي دريچه ربط مي‌دهد. يافته‌ها: با توسعه رابطه فرو و تيوري باكينگهام و تيوري خودمانايي ناقص، رابطه اي براي تخمين دبي عبوري از دريچه‌هاي نيم‌استوانه‌اي و استوانه‌اي كامل در حالت جريان آزاد و مستغرق ارايه شد و با داده هاي آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفت كه رابطه پيشنهادي با داده هاي آزمايشگاهي و ارزيابي آماري از دقت قابل‌قبولي برخوردار است. از مزاياي اين رابطه مي‌توان به عدم نياز به تعيين ضريب دبي اشاره كرد. نتايج نشان داد كه روابط پيشنهاد شده براي تخمين دبي، تطابق بالايي با داده‌هاي آزمايشگاهي دارند. به‌طوري‌كه ميانگين خطاي نسبي تخمين دبي براي هر رابطه پيشنهادي در هر دريچه در حالت آزاد كم‌تر از 2 درصد و در حالت مستغرق كم‌تر از 5 درصد به‌دست آمد. در نتيجه از رابطه ارايه شده مي‌توان براي طراحي اينگونه دريچه‌ها بهره برد. نتيجه‌گيري: از آنجايي كه تخمين دقيق دبي عبوري از دريچه‌ها باعث افزايش عملكرد مديريتي شبكه‌هاي توزيع آب و همچنين منجر به افزايش قطعيت اجرايي در طراحي دريچه‌ها مي‌شود، مي‌توان نتيجه گرفت كه با تركيب آناليز ابعادي و تيوري خودمانايي مي‌توان روابطي با دقت بالا براي تخمين دبي عبوري به‌دست آورد.

Background and Objectives: Gates are among the most common hydraulic structures in open channels that are used for flow control and water level control. The vertical slide gates suffer from lower contraction coefficient and thus lower flow rate capacity. In this paper, the hydraulic performance of a new modified gate, combination of a vertical slide gate with a cylindrical edge (Drum gate), has been studied. Materials and Methods: Laboratory tests of this study are performed in Hydraulic Laboratory of Water Engineering Group from University of Ferdowsi in Mashhad, in rectangular flume with length of 10 cm, width 30 cm, height 50 cm. In this study, totally, from nine gates that include four cylindrical slide gates and four half-cylindrical slide gates with diameter of 63 mm, 90 mm, 125 mm and 200 were used. The dimensionless stage-discharge relationship was proposed based on dimensional analysis and using the incomplete self-similarity concept in free and submerged conditions. In these relationships, flow rate is related to the upstream depth, gate opening and the cylinder diameter. Results: Finally, the development of the relationship of Ferro and Buckingham theory and the Self-Similarity Theory, relationships to estimate the flow rate of a half and full cylindrical gates for free and submerged flow conditions were presented separately and with proposed correlation with experimental data and statistical evaluation of acceptable accuracy were examined and the experimental data were analyzed. The proposed equation is accurate and practical so that it removes the need to consider the discharge coefficient. Results showed that this equation can be fitted to laboratory data very well. The mean relative error for estimation of discharge in the free and submerged conditions was less than 2 and 5 percent, respectively. Therefore, these equations can be used as a design tool for slide gates with cylindrical edge. Conclusion: Since accurate estimate discharge increased management function of water distribution network and also leads to an increased executive certainty in gate design, it can be concluded that the combination of dimensional analysis and the self-similarity theory can estimate the discharge obtained with high accuracy.