مطالعه آزمایشگاهی اثر امواج ضربه ای در تبدیل کانال های روباز با مقاطع ذوزنقه ای و مستطیلی بر مشخصات جریان

سابقه و هدف: تبدیل‌های همگرا در جریان‌های فوق بحرانی کاربردهای گسترده‌ای دارند. از جمله آن می‌توان به انتقال جریان از کانال‌های آبگیر سدها به سرریزهای تونلی، کاهش عرض کانال در تندآب‌ها و کاهش زمان انتقال جریان در کانال‌های انتقال سیلاب اشاره کرد. در مطالعه جریان‌های فوق بحرانی تشکیل امواج ضربه‌ای از اهمیت بالایی برخوردار است. تولید و توسعه این امواج به دلیل افزایش ارتفاع آب به اندازه چندین برابر عمق جریان ورودی و گسترش آن در محدوده وسیعی از کانال پایین دست و ناهموار ساختن سطح آب به لحاظ مهندسی نامطلوب بوده و هر گونه طراحی ضعیف کانال می‌تواند منجر به آبشستگی دیواره‌ها و کف کانال، آسیب رساندن به تجهیزات در مسیر جریان و بالا بردن هزینه‌های مربوط به نگهداری و کاهش راندمان انتقال آب گردد. در تحقیق حاضر تشکیل امواج ضربه‌ای در تبدیل‌های همگرای کانال روباز با مقاطع ذوزنقه‌ای و مستطیلی با به‌کارگیری مدل-های آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: به منظور بررسی پارامترهای هیدرولیکی امواج ضربه‌ای در تبدیل‌های همگرا، دوازده مدل با هندسه‌های متفاوت به‌کار گرفته شد. طول مورب دیواره‌های تبدیل (5/0، 75/0 و 1 متر) و زاویه شیب جانبی دیواره-ها (69/33، 45، 60 و 90 درجه) متغیرهای هندسی مورد مطالعه در تحقیق حاضر بود. مقدار نسبت همگرایی در کلیه مدل‌ها برابر 5/0 در نظر گرفته شد. مقادیر ارتفاع و سرعت لحظه‌ای در نقاط مختلف امواج ضربه‌ای تشکیل شده در مدل‌های مذکور به ازای چهار عدد فرود مختلف در محدوده 23/9-25/3 اندازه‌گیری شد. یافته‌ها: مقادیر اندازه‌گیری شده در تبدیل‌های همگرا حاکی از توزیع غیریکنواخت سرعت در راستای قائم امواج ضربه‌ای بود. همچنین حرکت جبهه موج به سمت پایین‌دست با کاهش سرعت و افزایش ارتفاع موج همراه بود که به ازای هندسه‌های مختلف تبدیل، روند تغییرات مذکور نیز متفاوت بود. نتایج نشان داد حداکثر ارتفاع امواج ضربه-ای در تبدیل‌های همگرا با مقاطع ذوزنقه‌ای به ازای زوایای شیب جانبی 69/33، 45 و 60 درجه نسبت به مقاطع مستطیلی به‌طور میانگین، به ترتیب به میزان 8/64، 3/54 و 6/39 درصد کاهش یافت. همچنین حداکثر سرعت امواج ضربه‌ای در تبدیل‌های همگرا با مقاطع ذوزنقه‌ای به ازای زوایای شیب جانبی مذکور نسبت به مقاطع مستطیلی به‌طور میانگین، به ترتیب به میزان 1/39، 6/31 و 5/16 درصد کاهش یافت. به‌ازای عدد فرود ثابت و طول یکسان دیواره تبدیل، افزایش زاویه شیب جانبی با افزایش استهلاک انرژی امواج ضربه‌ای همراه بود. همچنین بیشترین نرخ استهلاک انرژی در طول دیواره 5/0 متر مشاهده شد. به‌طوری‌که مقادیر افت انرژی امواج ضربه‌ای به‌ازای طول دیواره مذکور، عدد فرود 26/7 و زوایای شیب جانبی 69/33، 45، 60 و 90 درجه به‌ترتیب برابر 69/14، 43/15، 34/16 و 72/18 درصد به‌دست آمد. نتیجه‌گیری: تحلیل پروفیل‌های سرعت و سطح آزاد امواج ضربه‌ای حاکی از آن بود که در حالت کلی کاهش زاویه شیب جانبی (افزایش شیب جانبی) دیواره تبدیل، افزایش طول مورب دیواره تبدیل و همچنین کاهش عدد فرود جریان رابطه مستقیم با کاهش ارتفاع و سرعت امواج دارد. نظر به اینکه کانال‌های اجرایی عمدتاً با مقطع ذوزنقه‌ای ساخته و بهره‌برداری می‌شوند، یافته‌های تحقیق حاضر برای مهندسین طراح می‌تواند بسیار سودمند باشد.