1-1- کلیات

در طراحی سیستم‌های هیدرولیک سرعت جریان نباید بیش از حد قابل قبولی باشد. زیاد بودن سرعت آب در یک کانال خاکی و یا در رودخانه طبیعی فر سایش بستر و جداره‌ی کانال را به همراه داشته که ممکن است باعث خسارات جبران ناپذیری به تأسیسات مجاور رودخانه گردد معذلک در بسیاری مواقع به دلایل مختلفی از قبیل شیب زیادکف کانال خاکی و یا اختلاف زیاد انرژی بین دو مقطع و یا سقوط آزاد آب، با انرژی جنبشی بیش از حد آب مواجه می‌شویم که ناچاراً می‌باید سازه‌هایی را طراحی کنیم تا انرژی جنبشی اضافی مستهلک و سرعت جریان را به حداقل قابل قبولی کاهش دهد.

در پایین دست سر ریز سدهای به دلیل اختلاف ارتفاع زیاد، سرعت جریان و نهایتاٌ انرژی جنبشی، بشدت افزایش می‌یابد که عدم کاهش این انرژی باعث فرسایش کف و ایجاد گودال در پایین دست سد خواهد شد که در دراز مدت باعث واژگونی سد می‌شود  پس باید به نوعی این سرعت زیاد (انرژی جنبشی زیاد ) را در سیستم‌های هیدرولیکی از بین ببریم.

سازه‌هایی که باعث کاهش انرژی جریان و پائین آوردن سرعت به حداقل قبولی می‌شوند، سازه‌های مستهلک کننده انرژی(Energy Dissipatorstrueture) می‌گویند.     

بطورخلاصه این سازه‌ها به قرار زیر می‌باشند

الف- سازه‌های مستهلک کننده انرژی در جهت افقی در این سازه‌ها که اکثراٌدر پایین دست سر ریز سدها (سر ریز اوجی ) و در کانالها و در انتهای شیب شکن‌ها دیده می‌شوند انرژی آب به صورت جهش هیدرولیکی تلف می‌شود که انواع حوضچه‌های آرامش از این نوع می‌باشند.

ب- سازه‌های مستهلک کننده انرژی در جهت عمودی: این سازه‌ها اکثراٌ در کانالهای آبیاری مورد استفاده قرار می‌گیرند که از آن جمله می‌توان به حوضچه ای منی فولد (mani fold)، چاه آرامش و انواع فلیپ باکت‌ها اشاره کرد.

ج- سازهای مستهلک کننده انرژی در دو جهت عمودی و افقی: این سازه‌ها شامل انواع شیب شکنهای قائم و مایل می‌باشد که اکثراٌ در کانال‌های آبیاری استفاده می‌شود.

باتوجه به مطالب بالا یکی از معمول ترین روش‌های استهلاک انرژی در جهت افقی ایجاد پرش هیدرولیکی است پرش هیدرولیکی یا جهش آبی پدیده است جالب که بدلیل کاربرد بسیار آن در علم  هیدرولیک مطالعات بسیاری  

بر روی آن صورت گرفته است پرش هیدرولیکی پدیده­ای است که در اثر تغییر جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی رخ می دهد. همزمان ‌با این کار آشفتگی­های زیادی بصورت گرداب­های شدید و جریان غلتابی معکوس ایجاد می‌شو دکه این غلتاب‌ها باعث ورود مقدار قابل ملاحضه ای هواشده و سطح آب دارای ظاهری سفید، کف آلود و آشفته می‌شود.

این آشفتگی­ها، غلتاب­ها و ورود هوا به داخل آب باعث می‌شوندکه از انرژی آب درحد بالائی کاسته شود.

در یک پدیده جهش آبی می‌بایست عمقهای  y1 و y2 (عمق‌های متناظر) طول پرشLj، میزان افت انرژی، توزیع فشار، پروفیل سرعت اندازه گیری گردد. یکی ازخصوصیات مهم جهش آبی طول جهش می‌باشدکه بدست آوردن آن بسیارمهم بوده زیرابرطول حوضچه آرامش تأثیرمستقیم دارد. مواردکاربرد پرش هیدرولیکی به شرح ذیل است.

کاهش انرژی آب درجریان ازروی سدها، سرریزها، و دیگر سازه‌های هیدرولیکی و نهایتاٌ محافظت ازقسمت‌های پائین دست.
2- افزایش سطح آب در کانال‌ها به منظور پخش آب.

3- افزایش دبی خروجی از زیر دریچه‌ها با دور نگه داشتن سطح یا یاب.

4- کاهش فشار بالابرنده در زیر سازه‌ها با افزایش عمق آب در دامنه سازه.

5- مخلوط نمودن مواد شیمیائی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز جهت مصارف کشاورزی

6- جدا نمودن هوای محبوس ازجریان­های موجود درکانال‌های باز دایروی.

بنابراین برای اینکه پرش درست در پائین دست سازه ایجاد شود و از منتقل شدن آن به پائین دست جلوگیری شود می‌بایست از حوضچه‌های آرامش استفاده کرد. این حوضچه‌ها مقاطع مستطیلی بوده و دیواره‌های آن ازبتن می‌باشد.

پس می‌بایست در پائین دست سازه یک کف افقی بتنی درست کرد و عمق پایاب لازم (عمق در پائین دست جهش در کانال ونه عمق ثانویه ) جهش را در آن ایجاد کرد تاعمق ثانویه جهش برابر آن عمق گردید در آن صورت پرش هیدرولیکی اتفاق خواهد افتاد چنانچه عمق پایاب موجود کم باشد در آن صورت برای اینکه جهش قطعاٌ ایجادشود می‌بایست کمی‌ کف حوضچه را پائین­تر آورد یا در انتهای کف افقی یک دیواره کوتاه قائم (پله) ایجاد کرد و سپس بوسیله این عمل اطمینان می‌یابیم که پرش قطعاٌ تشکیل می‌شود ولی این نکته مهم است که طول پرش بعضاٌ 1/6 برابر عمق ثانویه است و این طول زیادی را در بر می‌گیرد که چون سازه‌ها بتنی است باعث بالا رفتن هزینه می‌شود. بنابراین در طرح حوضچه‌های آرامش از بلوکهای ابتدائی، انتهائی و یا میانی نیز استفاده می‌کنند که به کوچکتر شدن طول حوضچه کمک می‌کند. پس اهداف اصلی ساخت حوضچه‌های آرامش یکی تثبیت پرش هیدرولیکی است و دیگری کمک به ایجاد پرش هیدرولیکی است. کوتاه­تر شدن طول پرش فقط به کم شدن هزینه‌ها کمک خواهد کرد. بدین جهت حوضچه‌های آرامش مختلفی مورد آزمایش قرار گرقتند که هر کدام برای یک نوع پرش شرح داده شده مفید می‌باشد این حوضچه‌ها پس از آزمایش بسیار و قطعی شدن آنها بصورت تیپ در آمده اند و در حال حاضر برای طراحی هر کدام از آنها می‌توان به تیپ اصلی آنها مراجعه کرد. بطور کلی دو نوع کلی حوضچه‌های آرامش وجود دارد یکی حوضچه‌های آرامش استاندارد USBR که خود به چندین نوع تقسیم می‌شود و یکی حوضچه آرامش استاندارد SAF که شرح آنها ذیلاٌ آورده می‌شود

در هفتاد سال گذشته، به دلیل اهمیت و کاربرد بسیار زیاد پرش هیدرولیکی مطالعات گسترده ای در این مورد انجام گردیده است.

پرش هیدرولیکی که در بستر‌های صاف، افقی و با شکل حوضچه منشوری اتفاق می‌افتد بنام پرش هیدرولیکی کلاسیک نام­گذاری شده است که دارای الگوی جریان دو بعدی می‌باشد این نوع پرش، پیش از این توسط محققین  بزرگ، مورد مطالعه قرار گرفته است. اهداف اصلی مطالعات ایشان، ایجاد روابط برای پیش بینی خصوصیات پرش نظیر طول پرش، عمق پایاب مورد نیاز. میزان استهلاک انرژی، توزیع سرعت جریان، نوسانات فشار، پروفیل سطح آب در طول پرش بوده است نتایج تحقیقات نشانگر آن است که زبری بستر در جهت کاهش طول پرش هیدرولیکی و عمق پایاب مؤثر است با توجه به اهمیت دو پارامتر طول پرش هیدرولیکی  و عمق پایاب در کم کردن هزینه‌های   طراحی وساخت مستهلک کننده انرژی، همچنان نیاز به مطالعات در این مورد احساس می‌گردد. طی آخرین مطالعات انجام گرفته توسط ایدو راجاراتنام (2002) که از بستر مواج استفاده شده است نتایج آزمایشگاهی نشان داد که در صورت مواج بودن بستر، مقدار طول پرش و عمق پایاب بطور چشمگیری کاهش خواهد بافت همچنین به تحقیقات شفاعی و ایزدجو (2003) می‌توان اشاره کرد. آنها در تحقیقات خود با قرار دادن زبری‌های موجی شکل دربستر حوضچه آرامش نشان دادند که طول پرش هیدرولیکی تا 50% نسبت اعماق مزدوج نیز تا 30% کاهش یافته است مطالعات کارولو و همکاران (2007) نیز که روی بستر زبر شده توسط مصالح رودخانه‌ای نشان داد که طول پرش هیدرولیکی و عمق ثانویه کاهش چشمگیری داشته است.

1-2- ضرورت تحقیق

پرش هیدرولیکی متداول­ترین روش جهت استهلاک انرژی در پایین دست سازه‌هایی هیدرولیکی می‌باشد در مستهلک کننده‌هایی انرژی از نوع پرش معمولا ٌبا کمک بافل و در داخل حوضچه آرامش ایجاد می‌شود تاکنون مطالعات گسترده ای در زمینه انواع حوضچه‌های آرامش صورت گرفته است

هدف همه این  مطالعات  بوجود آوردن حوضچه‌های اقتصادی بوده است.

پارامترهایی چون طول حوضچه، ضخامت دال کف، عمق پایاب مورد نیاز از جمله پارامترهای مهمی‌هستند که بر اقتصاد کردن سازه حوضچه آرامش تأثیر فراوانی دارند اخیراٌمطالعه مقدماتی نشان داده که زبر بودن کف حوضچه‌های آرامش باعث کاهش طول حوضچه و کاهش عمق پایاب مورد نیاز می‌گردد.{اید وراجااتنام 2002}. این مطالعه امید زیادی برای ایجاد حوضچه‌های اقتصادی تررا فراهم کرده است.

1-3- فرضیه تحقیق

این تحقیق بر این فرضیه استوار است که ارتفاع و عرض‌هایی مختلف زبری در کف بستر از طریق افزایش تنش برشی و در نتیجه تلاطم بیشتر جریان می‌تواند باعث تغییراتی در خصوصیات پرش هیدرولیکی و کاهش طول پرش و عمق پایاب شود که نهایتاٌ می‌توان سازه‌های مستهلک کننده انرژی اقتصادی تری طراحی کرد.

1-4- اهداف مطالعه حاضر

بطور کلی با توجه به مطالعات ارائه شده  اهداف این مطالعات را می‌توان به شرح ذیل بیان کرد :

بررسی و ضعیت هیدرولیکی پرش در بستر زبر و اندازه ­گیری مشخصات پرش نظیر طول پرش و عمق پایاب در پرش هیدرولیکی با ابعاد‌های متفاوت زبری بستر برای اعداد فرود متفاوت
برآورد میزان تأثیر ابعاد متفاوت زبری بستر بر مشخصات پرش هیدرولیکی و مقایسه آن با پرش کلاسیک
افت انرژی پرش در بستر و مقایسه آن با پرش کلاسیک
برآورد تنش برش کف در پرش هیدرولیکی با ابعاد‌های مختلف زبری بستر و مقایسه آن با حالت کلاسیک
ارتباطات ایجاد شده بین عوامل هیدرولیکی پرش در بستر زبر به صورت بدون بعد.
1-5- روش تحقیق

برای رسیدن به اهداف این تحقیق نیاز به انجام آزمایش‌های مختلف می‌باشد. ابتدا منابع مهم در زمینه پرش هیدرولیکی کلاسیک و پرش بر روی بستر‌های زبر جمع آوری و مورد بررسی قرار گرفته است سپس اقدام به ساخت یک دستگاه فلوم آزمایشگاهی شد . فلوم آزمایشگاهی به طول 8 متر عرض 35/0 متر و ارتفاع 4/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه آزاد واحد یاسوج مورد استفاده قرار گرفت.

1-6-  مطالب این پایان نامه

به منظور ارائه بهتر کارهای‌ انجام شده در این مطالعه سعی گردیده است، که موضوعات مورد و مطالعه در فصول جداگانه ارائه شود و در فصل ابتدا، مروری بر منابع و تحقیقات انجام شده قبلی، انجام گردد و سپس روش انجام آزمایشات و نتایج ارائه شود.

 

2-1- مقدمه    

با توجه به اینکه بررسی خصوصیات مربوط به پرش هیدرولیکی مستلزم آشنایی با مفاهیم هیدرولیکی بسیاری می­باشد که با دانستن آنها شناخت این پدیده عمیق­تر صورت خواهد گرفت، از این رو در بخش­های مختلف این فصل برخی از مفاهیم کلی مربوط به هیدرولیک مجاری باز بیان شده و در ادامه مبانی مربوط به جهش­های هیدرولیکی کلاسیک تشریح می­گردد. همچنین در انتها به روش های موجود برای کنترل پرش هیدرولیکی اشاره خواهد شد.

پرش هیدرولیکی می ­تواند روی کف­های نسبتاً افقی و یا کف­های شیب­دار با مانع و یا بدون مانع به وجود آید و بدیهی است بسته به این که در کدامیک از موقعیت­های مذکور پرش حاصل گردد دارای خصوصیات کاملاً متفاوتی خواهد بود.

با توجه به سادگی هندسه آبراهه پرش های کلاسیک و اهمیتی که این سادگی در طراحی حوضچه­های آرامش دارد، پرش هیدرولیکی کلاسیک طی هفتاد سال اخیر دارای اهمیت ویژه­ای بوده است. این پدیده در قرن 16 توسط لئوناردو داوینچی توصیف گردیده است اما از سال 1820 که بیدونه ایتالیایی نتایج اولین آزمایش را چاپ کرد، مورد توجه خاص قرار گرفت. (ماکاگنو 1967 بخش­های مهم آزمایشات بیدونه را ارائه داده است). بخش­های مهم و جالب آن شامل موارد (به نقل از هاگر 1992).

– نسبت عمق­های متناظر بالادست و پائین دست پرش.

– طول پرش که از پنجه پرش تا ناحیه عمق پایان اندازه ­گیری گردیده بود.

نسبت عمق­های متناظر با بهره گرفتن از معادله مومنتم به خوبی توسط بلانگر (1838) پیش بینی گردید. مطالعات تئوری و آزمایشات بیشتری توسط برسی فرانسوی (1860) انجام شد. بزین و دارسی (1865) و بوزینسک (1877). فورشهایمر (1914 و 1925) به خوبی خلاصه ای از مطالعات پرش هیدرولیکی را ارائه نمودند. اطلاعات آزمایشگاهی زیادی توسط گیبسون (1914) برای اعداد فرود تا 6/8 ارائه گردید. مطالعات مولر (1894) را می توان به عنوان یک نمونه از یک روش متفاوت در قیاس با مطالعات فرانسوی­ها در زمینه هیدرولیک در نظر گرفت. مطابق بررسی بعمل آمده توسط هاگر، اطلاعات سایر کشورها در این خصوص بدست نیامده است.

اولین مطالعه آزمایشگاهی سیستماتیک بر روی پرش هیدرولیکی کلاسیک توسط سفرانز (1927و 1929) انجام شده اگرچه هینز (1920)، استیونس (1925)، لوی و المز (1927) و منتقدین آنها در مورد اینکه پرش به چه چیزی اتلاق می شود بحث­هایی داشته اند اما مقاله سفرانز (1927) خلاصه ای از مطالعات پیشین از جمله اطلاعات بیدونه، دارسی بزن، فریدی مریمان (1895) را دارا است. همچنین اطلاعات سازمان محیط زیست میامی (ریگل و بیبه 1917)، هورتون (1916) و کنیسون (1916) در آن گنجانده شده است. براساس مطالعات انجام شده توسط کنسیون و سفرانز و فلش بارت (1929) محاسبه عمق­های متناظر با بهره گرفتن از معادله مومنتم در سطح عمومی پذیرفته شد.

سفرانز (1929) پروفیل پرش­ها را در محدوده جریان غلطابی مشخص نمود و طی آن معادله­ای را برای محاسبه طول جریان غلطابی[1] ارائه داد. ضمناً استهلاک انرژی را به حرکت غلطابی جریان در ناحیه غلطابی نسبت داد و در آخر اولین دوره تحقیقاتی پرش­های هیدرولیکی، مبانی محدوده طولی و ارتفاعی پرش را تعیین نمود. در دهه سی میلادی مهندسین هیدرولیک آلمانی مطالعات مربوط به پرش هیدرولیکی را تحت تأثیر قرار دادند. سفرانز (1930) استهلاک انرژی جریان غلطابی را مورد بررسی قرار داد و همچنین طول جریان غلطابی را براساس مطالعات این واچرز (1930)، پیتر کوسکی (1932) و مطالعات قبلی خودش دوباره تحلیل نمود.

در طول دوره دوم مطالعه مربوط به پرش­ها، عمده مطالعات و نتایج توسط ایالات متحده آمریکا بدست آمد که طی آن بخماتف (1932) در مورد جریان آبراهه­های باز بحث نمود و راس (1934) فرضیه اعداد بدون بعد که عدد فرود از شاخص های مهم پرش­های هیدرولیکی می باشد را ارائه نمود.

هوک (1934) پرش­های بزرگ و همچنین عکس­برداری از آن­ها را گزارش نمود و دراموند (1935) یک رویه ساده طراحی را ارائه نمود. بخماتف و ماتزکه (1936) پروفیل­های بدون بعد سطح آزاد آب و همچنین داده­های آزمایشی عمق­های متناظر و طول پرش را ارائه نمودند. سومین مطالعه انجام شده در خصوص طراحی توسط اسکوبی (1939) ارائه گردید. مور (1943) وضعیت ایجاد پرش در انتهای شیب شکن­ها و همچنین انواع فرم­های پرش و پروفیل­های سطحی را مورد بررسی قرار داد و بخماتف و ماتزکه به هنگام بررسی این مقاله ایده توزیع سرعت را ارائه دادند.

سایر مطالعاتی که در این میان حائز اهمیت هستند توسط اسمتانا (1933 و 1935) در چکسلواکی، ویسیکی (1931) در سوئیس، جونز (1928) و انگل (1933) در انگلیس، لیندکویست (1927 و 1933) در سوئد، اسکاند (1938 و 1946) در فرانسه، فرگلیو (1939) در ایتالیا و توسط محققین روس از جمله آروین (1935) و سوتوسو (1935) ارائه گردیده است. نقد و بررسی­های مهمی نیز توسط شوکلیچ (1935)، سیترینی (1939) و بعد از آن توسط جیگر (1949) انجام شد. دوره دوم مطالعات پرش های هیدرولیکی با آغاز جنگ جهانی دوم به اتمام رسید.

در اواخر دوره 50 و اوائل دوره 60 سه کار عمده در زمینه پرش­های هیدرولیکی از جمله مطالعات راس و همکاران (1959) و اشکرودر (1963) و راجاراتنام (1965) انجام گرفت. تمام این مطالعات با میدان سرعت داخلی و ویژگی­های توربولانت در پرش هیدرولیکی درارتباط بودند. بطور همزمان برادلی و پترکا (1957) اطلاعات بیشتری را در هنگام مطالعه جریان دریچه­ها توسط فرانکو(1955 و 1961) جمع آوری کردند.

راجاراتنام (1962و1968) پروفیل سطح آزاد را تعریف کرد، پاتاب هیرامایا (1964) اثرات ویسکوزیته را مورد بررسی قرار داد و هانکو (1965) میزان افت انرژی در پرش را مطالعه کرد. مطالعات تئوری مربوط به عمق­های متناظر و طول پرش توسط فلورز(1954)،اشکرودر (1954 و 1962)، هورسکی آمداستراوس (1960 و 1961) و بور (1960)، راو و راماپ راساد (1966) و گوپتا (1967) انجام شده است. آنی (1961) و اشکرودر (1964) معادلات اساسی جریان توربولانت را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آلن و حمید (1968) موقعیت ایجاد پرش، بریتنودر و دورر (1967) توزیع توربولانت در پرش و رضوان (1967) مشخصات توربولانت در طول پرش را مورد بررسی قرار دادند. این دوره از تحقیقات با نظریه راجاراتنام (1967) پیرامون پرش­های هیدرولیکی به اتمام رسید. راجاراتنام در مقاله خود ضمن بررسی مقالات اخیر اشاره  خاصی نیز به ویژگی­های جریان داخلی داشت. همچنین فرضیه او پیرامون تطبیق هیدرولیکی با جت­های دیواره­ای بسیار حائز اهمیت است.

دوره چهارم پرش­های هیدرولیکی در اوائل دهه هفتاد صورت گرفت و شامل روش­های مشاهداتی بسیار پیشرفته مانند روش هات فیلم (رش 1970، رش و لوت هاورز 1971 و 1972) و سنجش­گر لیزر داپلر می باشد. اولین مدل­های ریاضی پرش هیدرولیکی توسط راس (1970) نارایانان (1975) مک کرکدیل و خلیفه (1983) مادسن و سوندسن (1983)، سوندسن و مادسن (1984)، قارانگیک و چادری (1991) تهیه گردید و تغییر جریان از وضعیت فوق بحرانی به جریان زیر بحرانی توسط معادله از نوع بوزینسک شبیه سازی شد.

تعدادی از مقالات راجع به موضوعاتی که توضیح داده شد بحث می کنند مثلاً سوامی (1970)، گارگ و شرما (1971) در خصوص راندمان پرش بحث می­ کنند. ویلسون و ترنر (1972) مقاله­ای را تحت عنوان موقعیت پرش منتشر کردند. مقالاتی که پیرامون تعیین طول پرش بحث می­ کنند شامل مقالات سرماونیون هام (1973)، مهرترا (1976)، گیویا و همکاران (1976)، بوش (1981 و 1982)، اورس (1987)، هاگر و برمن و کاواگوشی (1990) می باشند. در زمینه عمق­های متناظر، پروفیل سطح آب، از جمله ویژگی های جریان داخلی رش و همکاران (1976)، گیویا و همکاران (1977)، سوامی و پراساد (1977)، گیل (1980)، پاولو (1987)، وینخ سیانوزهنسکی (1988)، هاگر و برمن (1989)، هویت وسلین (1989) تحقیقاتی را به انجام رسانده اند. لوت هاوزر و کارتا (1972)، لوت هاوزر و آلمو (1979) تأثیر جریان ورودی و جداشدگی بر روی پرش را تجزیه و تحلیل کرده اند. نسه و محمود (1976) تحلیل تنش برشی مرزی را در پرش­های افقی و بر روی شیب بررسی نموده ­اند و نتیجه گرفتند که اختلاف قابل توجهی در پارامترهای مربوطه در شرایط جریان توسعه یافته و توسعه نیافته وجود دارد. مکانیزم استهلاک انرژی توسط ویپارلی (1988) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. اوتسو و همکاران (1990) قادر به یافتن اثر شرایط ورودی بر روی عمق­های متناظر، طول پرش و سرعت ماکزیمم نگردیدند ولی افزایش لایه مرزی در طول پرش را مورد بررسی قرار دادند. مطالعه آنها از این جهت حائز اهمیت است که نشان دادند پرش هیدرولیکی کلاسیک نوعی خاص از پرش مستغرق می باشد. چهارمین دوره از مطالعات پرش­های هیدرولیکی با بازنگری مک کروکدیل (1986) به پایان رسید.

2-2- روش های استهلاك انرژی

یكی از پارامترهای مهم در طراحی سیستم های هیدرولیكی كنترل سرعت جریان می‌باشد. سرعت جریان برای شرائط مختلف طراحی باید در محدوده قابل قبولی قرار گیرد تا