ارزیابی و تحلیل حساسیت معادلات افت اصطکاکی جریان با سطح آزاد درون محیط ‌های متخلخل سنگریزه‌ای

در این تحقیق، درستی معادلات مختلف افت اصطکاکی برای جریان آزاد غیر دارسی در محیط‌ های متخلخل سنگریزه‌ای ارزیابی شد که توزیع عمودی فشار در آنها غیر هیدرواستاتیک است. بیشتر معادلات ارائه شده برای جریان غیر دارسی بر اساس نتایج آزمایش‌های صورت گرفته در دستگاه‌های نفوذسنج و برای جریان یک بعدی است در حالی که به دلیل افت زیاد انرژی و شیب سطح آب در جریان آزاد درون محیط‌ های متخلخل سنگریزه‌ای، انتظار می‌رود جریان دو بعدی و توزیع فشار غیر هیدرواستاتیک باشد. در این مطالعه با آزمایش‌هایی روی یک محیط متخلخل به طول 1 متر و شامل سه نوع سنگریزه با قطرهای متوسط 1.68، 2.27 و 4.84 سانتی‌متر و در دو دمای متفاوت آب به بررسی درستی برآورد مقدار افت انرژی جریان توسط معادلات مختلف جریان غیر دارسی پرداخته شده است. با افزایش دبی و افزایش زاویۀ سطح آب از 6 درجه، اختلاف بین عمق آب و فشار پیزومتری افزایش می‌یابد. همچنین، بر اساس تحلیل آماری، مناسب‌ترین معادلۀ افت اصطکاکی در جریان غیر دارسی با سطح آزاد، معرفی و با تحلیل حساسیت نیز مشخص شد که معادلۀ معرفی شده کمترین حساسیت را نسبت به تغییرات مقادیر ورودی دارد و نیز اینکه تخلخل، سرعت ظاهری جریان، قطر متوسط ذرات و لزوجت سینماتیک به ترتیب بیشترین تاثیر را بر نتایج دارند.

Evaluation and Sensitivity Analysis of HeadLoss Equations of Free Surface Flow through Rockfill Porous Media

This research was aimed to evaluate the available equations provided for nonDarcy flow in rockfill porous media, when there is a free surface flow, and when vertical pressure distribution is nonhydrostatic. Most of previous investigation about nonDarcy flow performed in permeameter that simulate one dimensional flow in porous media. Because of severe energy loss and considerable difference between upstream and downstream water surface elevations in rockfill porous media, a nonhydrostatic pressure distribution was expected. To carry out the research, a series of laboratory experiments have been conducted on rockfill materials with three differet diameters (1.68, 2.27 and 4.84 cm) and in a medium of 100cm in length, where water temperature varied between 10 and 29 °C. Results indicated that difference between water depth and piezometric pressure increased as water surface and water discharge increased.  Based on statistical analysis of existing experimental data, the most suitable model for energy loss in free surface flow in rockfill materials was introduced. Moreover, it was found that the introduced model had the lowest sensitivity to the variation of the input parameters, and the porosity, apparent velocity, median rockfill diameter and kinematic viscosity, respectively, had highest influence on headloss results.