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 مدلهای 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 (0.5، 0.75 و 1 متر) و زاویه شیب جانبی دیوارهها (33.69، 45، 60 و 90 درجه) متغیرهای هندسی مورد مطالعه در تحقیق حاضر بود. مقدار نسبت همگرایی در کلیه مدل‌ها برابر 0.5 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 925.23/3 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 ضربهای در تبدیل‌های همگرا با مقاطع ذوزنقه‌ای به ازای زوایای شیب جانبی 33.69، 45 و 60 درجه نسبت به مقاطع مستطیلی به‌طور میانگین، به ترتیب به میزان 64.8، 54.3 و 39.6 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 39.1، 31.6 و 16.5 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 0.5 متر مشاهده شد. به‌طوری‌که مقادیر افت انرژی امواج ضربه‌ای به‌ازای طول دیواره مذکور، عدد فرود 7.26 و زوایای شیب جانبی 33.69، 45، 60 و 90 درجه به‌ترتیب برابر 14.69، 15.43، 16.34 و 18.72 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.