Numerical investigation of flow hydraulics in the side weir of a sharp edge with variable crown height

Subject Areas : Analysis, design and construction of water structures

Mohamad Hossein Ahmadi ¹ (Department of Civil Engineering, Beyza Branch, Islamic Azad University, Beyza, Iran.)
Roozbeh Aghamajidi ² (Department of Civil Engineering, Sepidan Branch, Islamic Azad University, Sepidan, Iran)
Gholamreza Saeedifar ³ (Department of Civil Engineering, Beyza Branch, Islamic Azad University, Beyza, Iran)

Received: 2024-04-30 Accepted : 2024-06-29 Published : 2024-07-14

Keywords: Lateral weir, Flow modeling, Crown height ,

Abstract :

The flow on the lateral weirs is of a spatially variable type with a decreasing flow rate. Lateral weirs are made in different ways. These structures are usually built in a rectangular shape. Rectangular lateral weirs have a fixed crown width, while in circular lateral weirs; the width of the water surface passing through the weir is a function of the water depth. In this research, to numerically investigate the hydraulics of the flow over the side weir of a sharp edge, a trapezoidal channel with a length of 12 meters, a width of 2.5 meters, and a height of 1.25 meters was used in the wall of the channel. To investigate the effect of the water level behind the weir on the flow modeling, water levels of 1.9 meters and 2 meters were used. Based on the results, by increasing the height of the sharp edge weir in the trapezoidal channel from 0.6 meters to 0.8 meters with the shape of the rectangular weir crown, the pressure increases by 5.3%, the shear speed decreases by 7%, and the horizontal speed increases by 13.5%. In addition, it was found that by increasing the height of the trapezoidal sharp edge weir from 0.8 meters to 1 meters with the shape of the rectangular weir crown, the pressure increased by 5.4%, the shear speed decreased by 2.5%, and the horizontal speed increased by 11.24%. Also, the changes in the Froud number for the mentioned situations have shown a 23% decrease and an 8.8% decrease, respectively.

References:


Ahmadi, M. H., Rajabpour, R., Doorandish, A. & Tayebzadeh, H. (2019). The effect of triangular stepped overflows on the amount of energy loss and flow velocity changes, 19th Iran Hydraulic Conference, Mashhad. https://civilica.com/ doc/1168011. (In Persian)
Bagheri, S. Kabiri, A. & Heydarpour, M. (2013). Estimation of flow rate in lateral weirs with rectangular sharp edge, 4th National Conference on Management of Irrigation and Drainage Networks, Ahvaz. (In Persian)
Ebrahimi, H. & Ghorbani, M. (2014). Simulating rectangular-triangular composite sharp edge spillway in Flow 3D software and determining the equation of water flow coefficient, The Second National Conference on Civil Engineering and Sustainable Development of Iran, Tehran. https://civilica.com/doc/433813. (In Persian)
Esmaeili Varak, M., & Safarrazavi Zadeh, M. (2013). Study of hydraulic features of flow over labyrinth weir with semi-circular plan form. Water and Soil, 27(1), 224-234. https://doi.org/10.22067/jsw.v0i0.22234. (In Persian)
Ferro, V. (2018). New stage-discharge relationship for inclined non-rectangular weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 64, 9-13.‏
Gonzalez, A. & Bombardelli, F. (2005). Two phase flow theoretical and numerical models for hydraulic jumps, including air entrainment. In Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference (pp. 28-29). Korea Water Resources Association.‏
Mehbodi, A., Attari, J., & Hosseini, S. A. (2016). Experimental study of discharge coefficient for trapezoidal piano key weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 50, 65-72.‏
Mehdizadeh, Z., Nikravan, F., Kookaei, A. & Fazlowla, R. (2014). Determination of discharge coefficient in sharp edge spillway, 10th International Seminar on River Engineering, Ahvaz. https://civilica.com/doc/677039. (In Persian)
Raeisi dehkordi, M., Faghani, R., & Moderi, S. (2023). Description of Hydraulic Jump as a Waste of Energy. New Approaches in Civil Engineering, 7(1), 1-16. https://doi.org/10.30469/jnace.2022.365579.1076
Rami, A., Qodsian, M., Panahi, R. & Kazemzadeh, Z. (2013). Numerical investigation of the flow on the side overflow of a rectangular sharp edge, the 15th conference of civil engineering students across the country, Urmia. https://civilica.com/doc/321697. (In Persian)
Sabbagh-Yazdi, S.R., Rostami, F. & Mastorakis, N.E. (2007). Turbulent modeling effects on finite volume solution of three-dimensional aerated hydraulic jumps using volume of fluid. Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on Applied Mathematics. Stevens Point, Wisconsin, USA. pp: 168-174
Wang, J. & Liu, R. (2000). A comparative study of finite volume methods on unstructured mashes for simulation of 2D shallow water wave problems. Mathematics and Computers in Simulation, 53 (5), 171-184.
Zhang, J., Chang, Q., Zhang, Q. H., & Li, S. N. (2018). Experimental study on discharge coefficient of a gear-shaped weir. Water Science and Engineering, 11(3), 258-264.‏

Full-Text:



Technical Strategies in Water Systems https://sanad.iau.ir/journal/tsws ISSN (Online): 2981-1449 Spring 2024: Vol 1, Issue 4, 277-289 https://doi.org/10.30486/TSWS.2024.1118608

 

Research Article

        

Numerical investigation of flow hydraulics in the side weir of a sharp edge with variable crown height

 

Mohamad Hossein Ahmadi1*, Roozbeh Aghamajidi2, Gholamreza Saeedifar1

 

1 Department of Civil Engineering, Beyza Branch, Islamic Azad University, Beyza, Iran.

2 Department of Civil Engineering, Sepidan Branch, Islamic Azad University, Sepidan, Iran.

 

Corresponding Author: [e-mail]

© The Author)s( 2024

 

Received: 30 Apr 2024

Accepted: 29 Jun 2024

Published: 14 Jul 2024

 

Abstract

The flow on the lateral weirs is of a spatially variable type with a decreasing flow rate. Lateral weirs are made in different ways. These structures are usually built in a rectangular shape. Rectangular lateral weirs have a fixed crown width, while in circular lateral weirs; the width of the water surface passing through the weir is a function of the water depth. In this research, to numerically investigate the hydraulics of the flow over the side weir of a sharp edge, a trapezoidal channel with a length of 12 meters, a width of 2.5 meters, and a height of 1.25 meters was used in the wall of the channel. To investigate the effect of the water level behind the weir on the flow modeling, water levels of 1.9 meters and 2 meters were used. Based on the results, by increasing the height of the sharp edge weir in the trapezoidal channel from 0.6 meters to 0.8 meters with the shape of the rectangular weir crown, the pressure increases by 5.3%, the shear speed decreases by 7%, and the horizontal speed increases by 13.5%. In addition, it was found that by increasing the height of the trapezoidal sharp edge weir from 0.8 meters to 1 meters with the shape of the rectangular weir crown, the pressure increased by 5.4%, the shear speed decreased by 2.5%, and the horizontal speed increased by 11.24%. Also, the changes in the Froud number for the mentioned situations have shown a 23% decrease and an 8.8% decrease, respectively.

Keywords: Lateral weir, Flow modeling, Crown height

 

 

مقاله پژوهشی

 

بررسی عددی هیدرولیک جریان در سرریز جانبی لبه‌تیز با ارتفاع تاج متغیر

 

محمد حسین احمدی 1*، روزبه آقامجیدی2، غلامرضا سعیدی فر1

 

1. استادیار گروه عمران، واحد بیضا، دانشگاه آزاد اسلامی، بیضا، ایران. 

2. استادیار گروه عمران، واحد سپیدان، دانشگاه آزاد اسلامی، سپیدان، ایران.

 

نویسنده مسئول: [e-mail]

                                                                                                                                                                                  © The Author)s( 2024

 

چاپ: 24/04/1403

پذیرش: 09/04/1403

دریافت: 11/02/1403

 

چکیده

جریان بر روی سرریزهای جانبی از نوع متغیر مکانی با دبی کاهنده است. سرریزهای جانبی به شکل­های مختلفی ساخته می­شود. سرریزهای جانبی مستطیلی عرض تاج ثابتی دارند، در حالی که در سرریز جانبی دایره­ای عرض سطح آب عبوری از سرریز تابعی از عمق آب است. هدف از این تحقیق ارزیابی نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز در کانال­های ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز است. در این تحقیق به منظور بررسی عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز از کانال ذوزنقه­ای به طول 12متر، عرض 5/2 متر و ارتفاع 25/1متر استفاده و در دیواره کانال از یک سریز جانبی لبه تیز با اشکال مختلف استفاده شده است. همچنین به منظور بررسی تأثیر تراز آب پشت سرریز بر مدلسازی جریان از ترازهای آب 9/1 متر و 2 متر استفاده گردید. بر اساس نتایج با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز در کانال ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی فشار به اندازه 3/5 درصد افزایش، سرعت برشی به اندازه 7 درصد کاهش و سرعت افقی به اندازه 5/13 درصد افزایش یافت. همچنین با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 80 سانتیمتر به 100 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی فشار به اندازه 4/5 درصد افزایش، سرعت برشی 5/2 درصد کاهش و سرعت افقی 24/11 درصد افزایش یافت. همچنین تغییرات عدد فرود برای حالات ذکر شده به ترتیب 23 درصد کاهش و 8/8 درصد کاهش را نشان داده است.

واژه‌های کلیدی: سرریز جانبی، مدلسازی جریان، ارتفاع تاج

 

1-       مقدمه

سرریزهای جانبی از انواع سازه­های هیدرولیکی هستند که در سیستم­های فاضلاب، آبرسانی و آبیاری، کنترل دبی، انحراف سیلاب و دبی مازاد رودخانه­ها و کانال­ها استفاده می­شوند. جریان عبوری از یک سرریز جانبی، از نوع جریان­های متغیر مکانی است. با توجه به اینکه معادلات حاکم بر جریان­های متغیر مکانی دارای حل تحلیلی نیستند، مطالعات تجربی زیادی برروی این جریان­ها صورت گرفته است. این سازه در کناره کانال قرار گرفته و جریان بصورت آزاد و تحت نیروی ثقل از روی آن تخلیه می­گردد. وظیفه و عملکرد اصلی این سازه برداشت بخشی از جریان از کانال اصلی به نحوی است که جریان در پایین دست، از ظرفیت انتقال کانال فراتر نرود (Esmaeili, et al., 2013). سرریزهای جانبی را می­توان از یک دیدگاه سازه تنظیم کننده تراز آب نیز در نظر گرفت. لیکن بایستی دقت نمود که کنترل سطح آب، از وظایف ثانویه سرریزهای جانبی بوده و عملکرد اصلی آن تخلیه بخشی از جریان است. سرريزهاي لبه تيز داراي كاربرهای متعددي هستند و بيشتر به صورت سرريزهاي مستطيلي، مستطيلي هم عرض كانال، مثلثي و ذوزنقه­ای هستند. ((Ferro 2018 تأثیر طول بر منطقه­ چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرم‌افزار Flow3D  مورد بررسی قرار داد. ( (Gonzalez & Bombardelli, 2005در يك شبيه­سازي عددي با استفاده از نرم­افزار Flow3D به بررسي مشخصات پرش هيدروليكي بر روي سطح صاف در دو حالت مدلسازی عددی و آزمایشگاهی پرداختند. آن­ها پارامترهای مختلف پرش هیدرولیکی را مورد بررسی قرار داده و نتایج عددی را با آزمایشگاهی مقایسه نمودند. (Sabbagh-Yazdi et al., 2007) در يك مدل سه­ بعدي به ارزيابي مدل­هاي تلاطمي k-ε و RNG بر روي ميزان ورود هوا در پرش هيدروليكي با استفاده از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روي دقت تخمین سرعت متوسط جريان با استفاده از مدل در مقایسه با نتايج آزمايشگاهي موجود از پرش هيدروليكي مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسب­تری را ارائه کرده است. ((Ebrahimi & Ghorbani, 2014 به شبیه­سازی سرریز لبه تیز مرکب مستطیلی- مثلثی در نرم­افزار Flow 3D و تعیین معادله ضریب آبگذری پرداختند. نتایج این پژوهش نشان داد که هر چقدر زاویه اصطکاك داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد می‌توان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد کوچکتري داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پایین­دست حفره بیشتر باشد. شیب دیواره­ها تندتر بوده و مانعی براي خروج ذرات رسوب از حفره به حساب می­آید. (Mehdizadeh et al., 2014) در تحقیقی به بررسی تعیین ضریب دبی در سرریز لبه تیز پرداختند. نتایج تحقیق ایشان نشان داد که ضریب تخلیه با افزایش عدد فرود کاهش می‌یابد. همچنین بهترین عملکرد با زاویه سرریزهای جانبی ۳۰ درجه و ارتفاع سرریز ۲۰ سانتیمتر در میان مقادیر مورد آزمون بدست آمد.

 ((Mehbodi et al., 2016‏ در تحقیقی به بررسی جریان در سرریزهای جانبی مستطیلی لبه تیز در کانال‌های رو باز پرداختند. نتایج نشان داد که عدد فرود پارامتر مهمی برای ضریب دبی بوده و نسبت ارتفاع تاج سرریز به طول سرریز جانبی، نسبت عرض اصلی به طول سرریز جانبی و نسبت عمق بالادست در کانال به طول سرریز جانبی نیز بر ضریب دبی مؤثر است. (Wang & liu, 2000) در تحقیقی به ارزیابی تجربی و عددی سرریز جانبی لبه تیز کانال ذوزنقه­ای پرداختند. در این تحقیق، ویژگی‌های هیدرولیک سرریزهای کناری، مانند فرود، پروفیل آب، توزیع سرعت و ضریب تخلیه مورد بررسی قرار گرفت. ((Rami et al., 2013 در تحقیقی به بررسی عددی جریان روی سرریز جانبی لبه تیز مستطیلی پرداختند. نتایج ایشان نشان داد که کاهش عرض سرریز، دبی موضعی بدون بعد را افزایش می­دهد، در حالی که عدد فرود بالادست، اثر قابل توجهی روی این پارامتر ندارد. در مقابل، زاویه جت ریزشی با عدد فرود بالادست ارتباط مثبت دارد. (Zhang et al., 2018) به شبیه­سازی آبشستگی موضعی پایه­ها در جریان جزر و مدی پرداختند. (Ahmadi et al., 2019) تأثیر سرریزهای پلکانی مثلثی بر میزان افت انرژی انرژی و تغییرات سرعت عبوری جریان را مورد بررسی قرار دادند. نتایج این پژوهش نشان داد که اگرچه افزایش دبی جریان بر کاهش میزان استهلاک انرژی تأثیرگذار است ولی طراحی و توسعه سرریزهای پلکانی باید با بهینه­یابی ابعادی و با توجه به ظرفیت دبی عبوری و با توجه به شرایط هیدرولیکی جریان و شرایط فیزیکی مدل (هندسی) انجام گردد. ((Raeisi et al., 2023  اثرات مختلف مستهلک کننده­های انرژی در پرش هیدرولیک را مورد بررسی قرار دادند. آن­ها در تحقیق خود یک بررسی تجربی از تأثیر لبة سرریز نهایی در حوضچه آرامش گسترش یافته بر روی پایین دست حوضچه را مورد ارزیابی قرار دادند. توجه به اهمیت بحث هیدرولیک جریان در کانال­های ذوزنقه­ای به علت کاربرد زیاد آن­ها و همچنین پیچیدگی جریان در مورد سرریزهای لبه تیز، تحقیق حاضر می­تواند پاسخی به این موضوع جهت شناخت پارامترهای مهم و رفع آن­ها باشد. در این تحقیق به ارزیابی نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریزجانبی لبه تیز در کانال­های ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز پرداخته شده است.

 

2-       مواد و روش‌ها

 

در این تحقیق به منظور بررسی عددی هیدرولیک جریان از روی سرریزجانبی لبه تیز از کانال ذوزنقه­ای به طول 12متر، عرض 5/2متر و ارتفاع 25/1متر استفاده شد. در دیواره کانال از یک سریز جانبی لبه تیز با اشکال مختلف استفاده شده است. همچنین به منظور بررسی تأثیر تراز آب پشت سرریز بر مدل­سازی جریان از ترازهای آب 9/1 متر و 2 متر استفاده شد. در شکل (1) حالت­های مختلف برای مدلسازی ارائه شده است.

 

شکل 1- به ترتیب از راست به چپ: سرریز لبه تیز نیم دایره، سرریز لبه تیز مستطیلی و سرریز لبه تیز مثلثی

Fig 1. From right to left: Semicircular sharp edge spillway, rectangular sharp edge spillway and triangular sharp edge spillway

 

2-1- صحت سنجی

 

برای اعتبار سنجی نتایج شبیه­سازی عددی از اندازه­گیری­های آزمایشگاهی (Bagheri et al., 2013) که در مورد شبیه­سازی عددی الگوی جریان روی سرریزهای جانبی لبه تیز و پهن می­باشد استفاده شده است. مدل مذکور متشکل از یک کانال مستطیلی به طول 8 متر که یک سرریز جانبی مستطیلی بر روی دیواره جانبی نصب شده است. عرض و ارتفاع کانال اصلی به ترتیب برابر 4/0 و 6/0 متر بوده و شیب بستر کانال مستطیلی افقی است. در این مدل آزمایشگاهی، دبی داخل کانال اصلی در بالادست 5/43 لیتر برثانیه، طول سرریز 3/0 متر، ارتفاع تاج سرریز جانبی 15/0متر و عرض کانال اصلی 4/0 متر است طرح اصلی کانال مدل آزمایشگاهی در شکل (2) نشان داده شده است.

 

 

شکل2- طرح کلی کانال مدل آزمایشگاهی (Bageri et al., 2013)

 

Fig 2. An outline of the laboratory Flume model (Bageri et al., 2013)

 

شرایط مرزی ورودی قسمت بالادست از نوع Volume Flow Rate، خروجی پایین دست از نوع Pressure می­باشد. شرایط مرزی دیواره­های افقی دارای سرریز از نوع Outflow و دیواره­های افقی بدون سرریز وکف از نوع Wall1 و جایی که سیال در تماس با هوا است از نوع Symmetry در نظر گرفته شد (شکل 3). از مقایسه سرعت و فشار ایجاد شده بر اساس مدل مقاله مرجع (Bageri et al., 2013) و مدل Flow3D مشخص است تطابق خوبی بین مدل مقاله مرجع و مدل Flow3D وجود دارد (اشکال 4 و 5).

 

شکل3- شرایط مرزی مدل مورد نظر

 

Fig 3. Boundary conditions of the desired model

 

 

3-       نتایج و بحث

3-1- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف از نظر فشار

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر فشار ارائه شده است. همانطور که از اشکال 6 تا 8 مشخص است دبی سیال خروجی در سریز نیم دایره بیشتر از سایر اشکال سرریز است که علت آن گشودگی زیادی که این شکل تاج سرریز در خود سریز ایجاد کرده است باعث افزایش فشار شده و حجم سیال خروجی از سرریز مثلثی به علت گشودگی کم، کمتر از سایر اشکال سرریز بوده و باعث کاهش فشار می­گردد. بر اساس شکل (9) بیشترین مقدار فشار در خروجی سرریز به اندازه 54/7 کیلوپاسکال برای شکل تاج نیم دایره و کمترین مقدار فشار به اندازه 75/6 کیلوپاسکال برای شکل تاج مثلثی سرریز است.

شکل 4- نتایج فشار در خروجی سرریز مقاله مرجع و مدلسازی حاضر

Fig 4. Pressure results at the spillway output of the reference article and present modeling

شکل 5- نتایج سرعت در خروجی سرریز مقاله مرجع و مدلسازی حاضر

Fig 5. Fig 5. Speed ​​results in the weir output of the reference article and the present modeling

شکل6- نتایج شبیه سازی فشار بر اساس ارتفاع سرریز60 سانتیمتر

 

Fig 6. Pressure simulation results based on the weir height of 60 cm

 

شکل7- نتایج شبیه­سازی فشار بر اساس ارتفاع سرریز80 سانتیمتر

 

Fig 7. Pressure simulation results based on the weir height of 80 cm

 

شکل8- نتایج شبیه سازی فشار بر اساس ارتفاع سرریز 100 سانتیمتر

 

Fig 8. Pressure simulation results based on the weir height of 100 cm

 

شکل 9- فشار ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

­

Fig 9. Pressure developed on the lateral weir of a sharp edge with different heights considering the crown height parameter of the weir

3-2- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز لبه تیز با ارتفاع مختلف درکانال ذوزنقه­ای از نظر سرعت برشی

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر سرعت برشی ارائه شده است. همانطور که از اشکال 10، 11 و 12 مشخص است. سیال در لحظه برخورد با تاج سرریز باعث ایجاد سرعت برشی می­گردد که بیشترین مقدار سرعت برشی در اطرف سرریز به اندازه 086/0 متر بر ثانیه برای ارتفاع تاج سریز60 سانتیمتر و کمترین مقدار سرعت برشی به اندازه 078/0 متر بر ثانیه برای ارتفاع تاج سریز100 سانتیمتر است (شکل 13). در واقع با افزایش ارتفاع تاج سریز سرعت برشی ایجاد شده در تاج سرریز کاهش می­یابد.

 

شکل10- نتایج شبیه­سازی سرعت برشی بر اساس ارتفاع سرریز60 سانتیمتر

 

Fig 10. Simulation results of shear speed based on the weir height of 60 cm

 

شکل11- نتایج شبیه­سازی سرعت برشی بر اساس ارتفاع سرریز80 سانتیمتر

 

Fig 11. Simulation results of shear speed based on the weir height of 80 cm

 

شکل12- نتایج شبیه­سازی سرعت برشی بر اساس ارتفاع سرریز100سانتیمتر

 

Fig 12. Simulation results of shear speed based on the weir height of 100 centimeters

شکل 13- مقایسه سرعت برشی  ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

 

Fig 13. Comparison of the shear velocity created on the lateral weir of a sharp edge with different heights, considering the crown height parameter of the weir

 

3-3- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف از نظر سطح آزاد جریان

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر سطح آزاد جریان ارائه شده است همانطور که از اشکال 14 تا 17مشخص است بیشترین مقدار سطح آزاد سیال برای ارتفاع تاج سرریز 100 سانتیمتر به اندازه 76/1 متر و کمترین مقدار سطح آزاد سیال برای ارتفاع تاج سرریز60 سانتیمتری به اندازه 75/1 متر بوده است.

شکل14- نتایج شبیه­سازی سطح آزاد جریان بر اساس ارتفاع سرریز60 سانتیمتر

 

Fig 14. Simulation results of the free surface of the flow based on the weir height of 60 cm

 

شکل15- نتایج شبیه سازی سطح آزاد جریان بر اساس ارتفاع سرریز80 سانتی‌متر

 

Fig 15. Simulation results of the free surface of the flow based on the weir height of 80 cm

شکل 16- نتایج شبیه سازی سطح آزاد جریان بر اساس ارتفاع سرریز100 سانتی‌متر

 

Fig 16. Simulation results of the free surface of the flow based on the weir height of 100 cm

 

شکل 17- مقایسه سطح آزاد جریان ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف و در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

 

Fig 17. Comparison of the free surface of the flow created on the lateral weir of the sharp edge with different heights and considering the crown height parameter of the weir

 

3-4- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف از نظر سرعت افقی

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر سرعت افقی ارائه شده است. همانطور که از شکل (18) مشخص است سرعت جریان قبل از سرریز ثابت است و در لحظه عبور سیال از بالای سرریز سرعت جریان افزایش پیدا می­کند که بیشترین مقدار سرعت جریان به اندازه 49/2 متر بر ثانیه برای ارتفاع تاج سرریز 100 سانتیمتر و کمترین مقدار سرعت به اندازه 916/1 متر بر ثانیه برای ارتفاع تاج سرریز60 سانتیمتری بوده است.

شکل 18- مقایسه سرعت افقی ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف و در نظر گرفتن پارامتر شکل تاج سرریز

 

Fig 18. Comparison of the horizontal velocity created on the lateral weir of a sharp edge with different heights and considering the shape parameter of the crown weir

3-5- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف در کانال­های ذوزنقه­ای از نظر عدد فرود

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر عدد فرود (Fr=V/(g.L)0.5) ارائه شده است. براساس شکل (19) بیشترین مقدار عدد فرود 74/2 برای ارتفاع تاج سرریز 60 سانتیمتر و کمترین مقدار عدد فرود 92/1 برای ارتفاع تاج سرریز 100 سانتیمتر بوده است. در واقع پرش هيدروليكي در ارتفاع سرریز بیشتر به واسطه عدد فرود کمتر نسبت به سایر حالات بیشتر است.

 

شکل 19- نمودار مقایسه عدد فرود سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف و در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

 

Fig 19. Comparison diagram of the landing number of the lateral weir of the sharp edge with different heights and considering the height parameter of the crown weir

 

3-6- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف در کانال­های ذوزنقه­ای از نظر تنش برشی

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر تنش برشی ارائه شده است. همانطور که از شکل (20) مشخص است بیشترین مقدار تنش برشی به اندازه 73/7 پاسکال در اطراف تاج سرریز تاج سرریز 60 سانتیمتر و کمترین مقدار تنش برشی به اندازه 71/5 پاسکال در اطراف تاج سرریز تاج سرریز 80 سانتیمتر است.

 

شکل 20- مقایسه تنش برشی ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف و در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

 

Fig 20. Comparison of the shear stress created on the lateral weir of the sharp edge with different heights and considering the height parameter of the crown weir

3-7- نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز لبه تیز با ارتفاع مختلف درکانال ذوزنقه­ای از نظر عمق جریان

 

در این بخش نتایج عددی هیدرولیک جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز درکانال ذوزنقه­ای با در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز از نظر عمق جریان ارائه شده است. همانطور که از شکل (21) مشخص است پرش هیدرولیکی در سریز با ارتفاع تاج سرریز 100 سانتیمتر بیشتر و پرش هیدرولیکی در سریز با ارتفاع تاج سرریز 60 سانتیمتر کمتر است. در واقع بیشترین مقدار عمق جریان به اندازه 09/1 متربرای ارتفاع تاج سرریز 100 سانتیمتر و کمترین مقدار عمق جریان به اندازه 90/0 متر برای ارتفاع تاج سرریز 60 سانتیمتر است.

 

شکل 21- مقایسه عمق جریان ایجاد شده از روی سرریز جانبی لبه تیز با ارتفاع مختلف و در نظر گرفتن پارامتر ارتفاع تاج سرریز

 

Fig 21. Comparison of the depth of the flow created on the lateral weir of the sharp edge with different heights and considering the height parameter of the crown weir

 

4-       نتیجه­گیری

 

نتایج نشان داد با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز در کانال ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی فشار از مقدار 75/6 کیلو پاسکال به مقدار 13/7 کیلوپاسکال به اندازه 3/5 درصد افزایش، با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 80 سانتیمتر به 100سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی فشار از مقدار 13/7 کیلو پاسکال به مقدار 54/7 کیلو پاسکال به اندازه 4/5 درصد افزایش می­یابد. با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز در کانال ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی سرعت برشی از مقدار 086/0 متر بر ثانیه به مقدار 080/0 متر بر ثانیه به اندازه 7درصد کاهش، با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 80 سانتیمتر به 100 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی سرعت برشی از مقدار080/0 متر بر ثانیه به مقدار 078/0 متر بر ثانیه به اندازه 5/2درصد کاهش می­یابد. با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی سرعت افقی از مقدار 91/1 متر بر ثانیه به مقدار 21/2 متر بر ثانیه به اندازه 5/13 درصد افزایش، با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 80 سانتیمتر به 100 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی سرعت افقی از مقدار 21/2 متر بر ثانیه به مقدار 49/2 متر بر ثانیه به اندازه 24/11 درصد افزایش می­یابد. با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی عدد فرود از مقدار 74/2 به مقدار 108/2 به اندازه 06/23 درصد کاهش، با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار80 سانتیمتر به 100 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی عدد فرود از مقدار 108/2  به مقدار 922/1 به اندازه 8/8 درصد کاهش می­یابد.  با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی تنش برشی از مقدار73/7 پاسکال به مقدار 71/5 پاسکال به اندازه 13/26 درصد کاهش، با افزایش ارتفاع سرریز لبه تیز ذوزنقه­ای از مقدار 80 سانتیمتر به 100 سانتیمتر با شکل تاج سرریز مستطیلی تنش برشی ابتدا ازمقدار 71/5 پاسکال به مقدار 75/6 پاسکال به اندازه 40/15 درصد افزایش یافت. با توجه به نتایج بررسی تأثیر دبی بر مدلسازی جریان از روی سرریز جانبی لبه تیز در کانال­های ذوزنقه­ای و بررسی تأثیر شکل سرریز جانبی لبه تیز در کانال­های مستطیلی بر مدلسازی جریان از روی آن­ها پیشنهاد می­شود.

 

5-  تضاد منافع نویسندگان

نویسندگان این مقاله اعلام می‌دارند که هیچ تضاد منافعی در رابطه با نویسندگی و یا انتشار این مقاله ندارند.

 

6-       منابع

 

Ahmadi, M. H., Rajabpour, R., Doorandish, A. & Tayebzadeh, H. (2019). The effect of triangular stepped overflows on the amount of energy loss and flow velocity changes, 19th Iran Hydraulic Conference, Mashhad. https://civilica.com/ doc/1168011. (In Persian)

Bagheri, S. Kabiri, A. & Heydarpour, M. (2013). Estimation of flow rate in lateral weirs with rectangular sharp edge, 4th National Conference on Management of Irrigation and Drainage Networks, Ahvaz. (In Persian)

Ebrahimi, H. & Ghorbani, M. (2014). Simulating rectangular-triangular composite sharp edge spillway in Flow 3D software and determining the equation of water flow coefficient, The Second National Conference on Civil Engineering and Sustainable Development of Iran, Tehran. https://civilica.com/doc/433813. (In Persian)

Esmaeili Varak, M., & Safarrazavi Zadeh, M. (2013). Study of hydraulic features of flow over labyrinth weir with semi-circular plan form. Water and Soil, 27(1), 224-234. https://doi.org/10.22067/jsw.v0i0.22234. (In Persian)

Ferro, V. (2018). New stage-discharge relationship for inclined non-rectangular weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 64, 9-13.‏

Gonzalez, A. & Bombardelli, F. (2005). Two phase flow theoretical and numerical models for hydraulic jumps, including air entrainment. In Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference (pp. 28-29). Korea Water Resources Association.‏

Mehbodi, A., Attari, J., & Hosseini, S. A. (2016). Experimental study of discharge coefficient for trapezoidal piano key weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 50, 65-72.‏

Mehdizadeh, Z., Nikravan, F., Kookaei, A. & Fazlowla, R. (2014). Determination of discharge coefficient in sharp edge spillway, 10th International Seminar on River Engineering, Ahvaz. https://civilica.com/doc/677039. (In Persian)

Raeisi dehkordi, M., Faghani, R., & Moderi, S. (2023). Description of Hydraulic Jump as a Waste of Energy. New Approaches in Civil Engineering, 7(1), 1-16. https://doi.org/10.30469/jnace.2022.365579.1076

Rami, A., Qodsian, M., Panahi, R. & Kazemzadeh, Z. (2013). Numerical investigation of the flow on the side overflow of a rectangular sharp edge, the 15th conference of civil engineering students across the country, Urmia. https://civilica.com/doc/321697. (In Persian)

Sabbagh-Yazdi, S.R., Rostami, F. & Mastorakis, N.E. (2007). Turbulent modeling effects on finite volume solution of three-dimensional aerated hydraulic jumps using volume of fluid. Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on Applied Mathematics. Stevens Point, Wisconsin, USA. pp: 168-174

Wang, J. & Liu, R. (2000). A comparative study of finite volume methods on unstructured mashes for simulation of 2D shallow water wave problems. Mathematics and Computers in Simulation, 53 (5), 171-184.

Zhang, J., Chang, Q., Zhang, Q. H., & Li, S. N. (2018). Experimental study on discharge coefficient of a gear-shaped weir. Water Science and Engineering, 11(3), 258-264.‏

277