این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
سرریزها، سازه¬های هیدرولیکی مهمی هستند که به‌منظور کنترل سطح آب و اندازه‌گیری شدت جریان در کانال¬ها مورد استفاده قرار می¬گیرند. دقت اندازه¬گیری دبی در شرایط مختلف جریان سبب، طراحی اشکال مختلف مقطع عرضی سرریزها گردیده‌است. با توجه به کاربرد وسیع سرریزهای جانبی، این نوع سرریزها باید دارای خصوصیاتی باشند تا بتوان از آن به خوبی در شبکه¬های انتقال آب استفاده کرد. از جمله این خصوصیات می¬توان به اندازه¬گیری دقیق دبی عبوری و توانایی آن در خروج میزان قابل توجهی آب در زمان رخ دادن دبی¬های سیلابی اشاره نمود. این در صورتی است که سرریزهای جانبی ساده در مواقع سیلابی فقط عبور دهنده خوبی برای مقدار آب اضافی کانال و یا رودخانه بوده، اما برای اندازه¬گیری دبی عبوری دقیق نمی¬باشند. به همین دلیل در این تحقیق، به مطالعه سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی مستطیلی پرداخته شده¬است. مزیت اینگونه سرریزها، دقت مناسب اندازه¬گیری دبی در محدوده¬ی وسیعی از شرایط جریان و نیز تخلیه موثر سیل است. در این تحقیق، دستگاه معادلات دیفرانسیلی پروفیل سطح آب در جریان متغیر مکانی، در محدوده¬ سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی به کمک روش رانگ-کوتا (4) به صورت عددی حل گردید. به این منظور از داده¬های آزمایشگاهی باقری و همکاران (1392) استفاده شد. نتایج نشان می¬دهد که علی¬رغم پیچیدگی هیدرولیک جریان در سرریزهای جانبی مرکب، معادلات جریان متغیر مکانی با همان فرم معمول در سرریزهای جانبی ساده قابل استفاده در سرریزهای مرکب نیز می¬باشند. برای استفاده کاربردی از نتایج این تحقیق، بر اساس مقادیر ضرایب آبگذری بهینه در هر سری از محاسبات و نیز پارامترهای هیدرولیکی و هندسی مؤثر بر آن‌ها، رابطه ساده-ای برای تخمین ضریب آبگذری با استفاده از روش نوین برنامه¬ریزی ژنتیک استخراج شد. نتایج صحت¬سنجی این رابطه نشان می¬دهد که حل عددی بدست آمده با شاخص¬های آماری حداکثر درصد مطلق خطا و میانگین درصد مطلق خطا برای محاسبات پروفیل سطح آب به‌ترتیب 5/5 و 3 درصد و برای محاسبات دبی عبوری به‌ترتیب 12/5 و 3/2 درصد می¬باشد.
واژه¬های کلیدی: سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی، ضریب تخلیه، رانگ-کوتا (4)، پروفیل سطح آب، جریان متغیر مکانی، جریان زیر بحرانی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه و كليات
1-1- مقدمه 2
1-2- سرریز جانبی 2
1-2-1- سرریزهای لبه تیز با مقاطع ترکیبی 3
1-2-1-1- سرریز لبه تیز ترکیبی مستطیلی- مستطیلی (CRRSC) 4
1-3- معادلات حاکم بر سرریز جانبی 5
1-4- ضرورت انجام تحقیق 8
1-5- اهداف تحقیق 8
1-6- ساختار پایان¬نامه 9
فصل دوم: بررسي منابع
2-1- مقدمه 12
2-2- مطالعه سابرامانیا و آواستی (1972) 12
2-3- مطالعه رانگاراجو و همکاران (1979) 14
2-4- مطالعه سوامی و همکاران (1994) 15
2-5- مطالعه سینگ و همکاران (1994) 16
2-6- مطالعه هنر و کشاورزی (2009) 17
2-7- مطالعات ایزدجو و شفاعی‌بجستان (1375) 20
2-8- مطالعه جلیلی قاضی¬زاده و همکاران (1376) 21
2-9- مطالعات قدسیان و همکاران (1376) 22
2-10- مطالعه ایزدی¬نیا و همکاران (1386) 23
2-11- مطالعه پاتیرانا و همکاران (2006) 23
فهرست مطالب
عنوان صفحه
2-12- مطالعه محمد (2013) 25
2-13- مطالعه سیاری و همکاران (1391) 25
2-14- مطالعات باقری و همکاران (1391) 26
2-15- مطالعه احمد (2011) 29
2-16- روابط ارائه شده برای تعیین ضریب تخلیه سرریز جانبی 32
فصل سوم: مواد و روش‌ها
3-1- مقدمه 36
3-2- جریان متغیر مکانی 37
3-2-1- جریان متغیر مکانی با افزایش دبی 37
3-2-2- جریان متغیر مکانی با کاهش دبی 37
3-3- طبقه¬بندی انواع پروفیل سطح آب در سرریزهای جانبی 39
3-3-1- نوع (1): جریان زیر بحرانی و شیب کانال ملایم 39
3-3-2- نوع (2)، جریان بحرانی و شیب کانال ملایم 39
3-3-3- نوع (3)، جریان زیر بحرانی و شیب کانال تند 40
3-4- روش انجام محاسبات 40
3-5- حل عددی معادلات متغیر مکانی در جریان زیر بحرانی 42
3-6- روش عددی رانگ- کوتا (4) 42
3-7- داده¬های آزمایشگاهی مورد استفاده 43
فصل چهارم: نتايج و بحث
4-1- مقدمه 48
4-2- حل عددی پروفیل سطح آب و دبی جریان 48
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل پنجم: نتيجه‌گيري و پيشنهادها
5-1- مقدمه 58
5-2- نتیجه¬گیری 58
5-3- پیشنهادها 59
منابع 62
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 2-1- روابط ارائه شده برای تعیین ضریب تخلیه توسط محققین مختلف 33
جدول 3-1- حل عددی رانگ- کوتا (4) 43
جدول 3-2- محدوده تغییرات پارامترهای هندسی و هیدرولیکی در آزمایش¬ها 44
جدول 3-3- ابعاد هندسی سرریزهای جانبی لبه¬تیز مرکب 45
جدول 4-1- نتایج ضریب آبگذری نهایی در محاسبات پروفیل سطح آب و دبی جریان در طول سرریز جانبی همراه با پارامترهای مؤثر بر آن 52
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- نمایی از سرریز جانبی (احمد،2011) 3
شکل 1-2- متداول‌ترین انواع سرریزهای لبه تیز ترکیبی متقارن (جان و همکاران، 2006) 4
شکل 1-3- سرریز CRRSC 4
شکل 1-4- دیاگرام E-y برای سرریز جانبی کانالی 5
شکل 1-5- مقادیر φ(y/E_2 ) برای استفاده در معادله (1-11)، (لی و هالی، 2002) 7
شکل 2-1- نمایی کلی از یک سرریز جانبی (سابرامانیا و آواستی، 1972) 13
شکل 2-2- نمایی از خطوط جریان در سرریزهای جانبی (رانگاراجو و همکاران، 1979) 14
شکل 2-3- تصویر سرریز جانبی استفاده شده در آزمایش¬ها، هنر و کشاورزی (2009) 18
شکل 2-4- مقایسه ضریب دبی مشاهده¬ای و محاسبه شده توسط رابطه (2-12)، هنر و کشاورزی (2009) 19
شکل 2-5- مقایسه ضریب دبی مشاهده¬ای و محاسبه شده در حالت گردگوشه، هنر و کشاورزی (2009) 19
شکل 2-6- نمودار مقایسه نتایج دبی جریان بدست آمده از حل عددی با مقادیر آزمایشگاهی (پاتیرانا و همکاران 2006) 24
شکل 2-7- نمودار مقایسه نتایج دبی جریان بدست آمده از حل عددی با مقادیر آزمایشگاهی (پاتیرانا و همکاران 2006) 24
شکل 2-8- سرریز جانبی مایل (محمد، 2013) 25
شکل 2-9- نمایی از سرریز جانبی ذوزنقه¬ای (سیاری و همکاران، 1391) 26
شکل 2-10- سرریز لبه تیز مرکب با مقطع مستطیلی- مستطیلی (باقری و همکاران، 1391) 27
شکل 2-11- نمودار مقایسه نتایج ضریب دبی بدست آمده از روابط سرریزهای جانبی ساده مقادیر آزمایشگاهی (باقری و همکاران، 1391) 28
شکل 2-12- نمودار مقایسه نتایج دبی جریان بدست آمده از روابط سرریزهای جانبی ساده با مقادیر آزمایشگاهی (باقری و همکاران، 1391) 29
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-13- نمای سرریز جانبی مستطیلی (احمد، 2011) 29
شکل 2-14- مقایسه نتایج محاسباتی با داده¬های آزمایشگاهی (احمد، 2011) 30
شکل 2-15- میزان تغییرات عمق آب در طول سرریز جانبی (احمد، 2011) 30
شکل 2-16- میزان تغییرات Cdبه ((y-p))/p (احمد، 2011) 31
شکل 2-17- میزان تغییرات Cd به Fr1 (احمد، 2011) 31
شکل 3-1- نمایی شماتیک از سرریز جانبی (لی و هالی، 2002) 36
شکل 3-2- تشکیل پروفیل نوع (1) در سرریز جانبی (ابریشمی، 1387) 39
شکل 3-3- تشکیل پروفیل نوع (2) در سرریز جانبی (ابریشمی، 1387) 40
شکل 3-4- تشکیل پروفیل نوع (3) در سرریز جانبی (ابریشمی، 1387) 40
شکل 3-5- سرریز جانبی مستطیلی، (الف)-نمای پلان، (ب)- نمای جانبی 42
شکل3-6- نماي شماتيك کانال آزمایشگاهی (باقری و همکاران، 1391) 43
شکل 3-7- فلوم آزمایشگاهی، سرریز جانبی، سرریز مثلثی و عمق¬سنج (باقری و همکاران، 1391) 44
شکل 3-8- ابعاد هندسی در سرریز جانبی مرکب (باقری و همکاران، 1391) 44
شکل 4-1- مقایسه پروفیل سطح آب محاسباتی با اندازه¬گیری شده در Q1=7.98(l/s) 49
شکل 4-2- مقایسه پروفیل سطح آب محاسباتی با اندازه¬گیری شده در Q1=9.01(l/s) 49
شکل 4-3- مقایسه پروفیل سطح آب محاسباتی با اندازه¬گیری شده در Q1=13.05(l/s) 50
شکل 4-4- مقایسه پروفیل سطح آب محاسباتی با اندازه¬گیری شده در Q1=11.8(l/s) 50
شکل 4-5- مقایسه پروفیل سطح آب محاسباتی با اندازه¬گیری شده در Q1=9.28(l/s) 51
شکل 4-6- مقایسه دبی سرریز محاسبه شده با دبی سرریز اندازه¬گیری شده در ابتدای سرریز جانبی 51
شکل 4-7- مقایسه نتایج ضریب آبگذری واسنجی با رابطه (4-1) 53
شکل 4-8- مقایسه پروفیل سطح آب محاسبه شده از رابطه (4-1) با پروفیل سطح آب واقعی در Q1=5.5(l/s) 54
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-9- مقایسه پروفیل سطح آب محاسبه شده از رابطه (4-1) با پروفیل سطح آب واقعی در Q1=8.21(l/s) 54
شکل 4-10- مقایسه پروفیل سطح آب محاسبه شده از رابطه (4-1) با پروفیل سطح آب واقعی در Q1=14.35(l/s) 55
شکل 4-11- مقایسه پروفیل سطح آب محاسبه شده از رابطه (4-1) با پروفیل سطح آب واقعی در Q1=1.69 (l/s) 55
شکل 4-12- مقایسه دبی جریان در ابتدای سرریز جانبی بدست آمده از محاسبات با مقادیر آزمایشگاهی در مرحله صحت¬سنجی 56
فصل اول
مقدمه و كليات
1-1- مقدمه
در این فصل با توجه به موضوع مورد مطالعه، که بررسی دبی عبوری از روی سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی می¬باشد، ابتدا به تعریف مختصری از سرریزهای جانبی پرداخته می¬شود، سپس سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی مورد مطالعه قرار گرفته و معادلات حاکم بر این سازه¬ها تشریح می‌گردد.
1-2- سرریز جانبی
برداشت آب از مجاری روباز نظیر شبکه¬های انتقال آب و یا رودخانه¬ها به‌طور پیوسته و ثقلی، بدون نیاز به صرف انرژی اضافی نظیر پمپاژ، همواره مورد توجه بوده و بر این اساس سازه¬های هیدرولیکی متفاوتی طراحی و اجرا شده¬است. از این نوع سازه¬ها می¬توان به سرریز جانبی اشاره نمودکه به وفور برای برداشت آب از رودخانه¬ها، کانال¬های آبیاری و مخازن سدها استفاده می-شود. علاوه‌بر این، سرریزهای جانبی به‌طور وسیعی برای کنترل سطح آب در سیستم کانال¬های آبیاری و زهکشی در پروژه¬های حفاظت سیلاب برای خارج نمودن آب اضافی به درون کانال تخلیه و همچنین در سیستم¬های زهکشی شهری مورد استفاده قرار می¬گیرند. شکل (1-1) نمایی از سرریز جانبی را نشان می¬دهد.
با توجه به کاربردهای ذکر شده برای سرریز جانبی، این نوع سرریز باید دارای خصوصیاتی باشد تا بتوان از آن به خوبی در شبکه¬های انتقال آب و یا رودخانه¬ها استفاده کرد. از جمله این خصوصیات می¬توان به اندازه¬گیری دقیق دبی عبوری از آن، جهت آبگیری مناسب از کانال و توانایی آن در خروج میزان قابل توجهی آب در زمان رخ دادن دبی¬های سیلابی در مکان¬هایی که این سازه به عنوان سازه¬ای حفاظتی به کار می¬رود اشاره کرد. متاسفانه سرریزهای جانبی معمولی (ساده) این دو قابلیت را به صورت توام دارا نمی¬باشند بطوری‌که اگر عرض سرریز کوچک باشد، فقط برای اندازه¬گیری جریان مناسب است و اگر عرض سرریز، بزرگ درنظر گرفته شود، فقط برای تخلیه سریع سیلاب مناسب بوده و دقت اندازه¬گیری دبی کاهش می¬یابد (باقری و همکاران، 1391). به همین دلیل اخیراً از سرریزهای جانبی با مقطع مرکب استفاده شده است.
شکل 1-1- نمایی از سرریز جانبی (احمد،2011)
1-2-1- سرریزهای لبه تیز با مقاطع ترکیبی
این سرریزها دارای دو یا سه سرریز با ارتفاع تاج مختلف بوده و نسبت به سرریزهای جانبی ساده دارای قابلیت و دقت بیشتری برای اندازه¬گیری جریان در محدوده¬ی وسیعی از دبی¬ها می¬باشند. از انواع سرریزهای لبه تیز که در سال¬های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و به وسیله آن دبی با دقت قابل قبولی اندازه¬گیری می¬شود، می¬توان به سرریزهای لبه تیز ترکیبی اشاره کرد.
چهار مـدل مختلف از این نـوع سرریزها که بیشتر از بقیه شناخته شده هستند عبارتند از (شکل 1-2):
1. سرریز لبه تیز ترکیبی مستطیلی- مستطیلی (CRRSC)
2. سرریز لبه تیز ترکیبی مستطیلی- ذوزنقه¬ای (CRTSC)
3. سرریز لبه تیز ترکیبی مثلثی- مستطیلی (CTRSC)
4. سرریز لبه تیز ترکیبی مثلثی- ذوزنقه¬ای (CTTSC)
شکل 1-2- متداول‌ترین انواع سرریزهای لبه تیز ترکیبی متقارن (جان و همکاران، 2006)
با توجه به اینکه موضوع این پایان¬نامه در ارتباط با سرریزهای جانبی لبه تیز ترکیبی مستطیلی-مستطیلی می¬باشد، در ادامه تنها سرریز مذکور مورد مطالعه قرار می¬گیرد.
1-2-1-1- سرریز لبه تیز ترکیبی مستطیلی- مستطیلی (CRRSC)
سرریزCRRSC را می¬توان به عنوان ترکیبی خطی از دو سرریز ساده لبه تیز در نظر گرفت. شکل (1-3) یک سرریز متقارن CRRSC را نشان می¬دهد که شامل سه سرریز مستطیلی، یکی در چپ، یکی در وسط و یکی در راست می¬باشد.
شکل 1-3- سرریز CRRSC
1-3- معادلات حاکم بر سرریز جانبی
هنگامی که آب از کانال بیرون می¬ریزد، افت انرژی ناشی از ریزش آب ناچیز فرض می¬شود. همچنین اگر فرض کنیم افت انرژی ناشی از اصطکاک در طول سرریز برابر افت کف کانال می¬باشد، خط انرژی، موازی بستر باقی¬می¬ماند. بنابراین رابطه (1-1) برقرار است:
رابطه (1-1) E1=y1+(Q_1^2)/(2gA_1^2 )= y2+(Q_2^2)/(2gA_2^2 )=E_2
همان‌گونه که در شکل (1-4) نشان داده شده است، در جریان زیربحرانی در امتداد سرریز عمق جریان افزایش می¬یابد و برای شرایط جریان فوق بحرانی عمق جریان کاهش می¬یابد، دلیل این امر، این است که با افزایش فاصله (x) از ابتدای سرریز جانبی دبی در واحد عرض کانال کاهش می¬یابد و منحنی نشان داده شده در شکل مذکور از حالت Q1 به Q2 منتقل می¬شود.