بررسی آزمایشگاهی باقیمانده انرژی جریان در سازه ریزشی گردابی با استفاده از روش فاکتوریل کامل

یکی از نیازهای اساسی در سیستم‌های جمع‌آوری فاضلاب و زهکشی شهری، اتصال مجاری کم‌عمق به تونل‌های زیرزمینی عمیق است. این اتصال به‌طور معمول از طریق سازه ریزشی گردابی برقرار می‌شود. در این سازه و برای تشکیل جریان گردابی، علاوه بر جلوگیری از سقوط سیال بخش قابل‌توجهی از انرژی آن به واسطه اصطکاک جداره‌ها تلف می‌شود. در این پژوهش، با ساخت مدل فیزیکی سازه، هد انرژی باقیمانده در آن (نسبت انرژی مخصوص در خروجی به انرژی مخصوص در ورودی سازه، e2/e1) بررسی شد. با استفاده از آنالیز ابعادی عوامل بدون بعد عدد فرود جریان (fr)، نسبت ارتفاع کل ریزش به قطر شفت (l ⁄ d) و نسبت عمق چاهک به قطر شفت (hs ⁄d) به‌عنوان عوامل موثر بر هد انرژی باقیمانده در سازه معرفی شدند. با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی، دقت و توانایی روش فاکتوریل کامل برای توصیف باقیمانده انرژی جریان در سازه تایید شد. نتایج نشان داد که هد انرژی باقیمانده برای عدد فرود متناظر با دبی طراحی (fr=2.18) بیشترین نزدیکی را به مقدار حدی 1 دارد. از طرفی برای کلیه سطوح عامل l/d مقدار هد انرژی باقیمانده به مقدار حدی 1 نزدیک هستند. همچنین به‌ازای مقدار hs/d بین 1 تا 2 شاهد کمترین اختلاف مقدار هد انرژی باقیمانده با مقدار حدی 1 هستیم، بنابراین می‌توان این محدوده را مناسب طراحی چاهک دانست. علاوه بر این معادله‌ای غیرخطی به‌صورت تابعی از fr، l ⁄ d و hs ⁄ d برای تخمین هد انرژی باقیمانده در سازه ریزشی گردابی با استفاده از آنالیز رگرسیون ارائه شد.

Experimental Study of Flow Energy Residual in a Vortex Drop Structure Using Full Factorial Method

One of the basic needs in urban wastewater and drainage systems is the connection of shallow ducts to deep underground tunnels. This connection is usually made through a vortex drop structure. In order to form a vortex flow, in addition to preventing the fluid from falling, a significant part of its energy is lost due to the friction of the walls. In the present study, by constructing a physical model, the residual energy head in the structure (ratio of specific energy at the output (E2) to specific energy at the input of the structure, (E1)) has been studied. Using dimensional analysis of dimensionless factors of Froude number (Fr), the ratio of total fall height to shaft diameter (L⁄D) and the ratio of sump depth to shaft diameter (Hs ⁄D) were determined as factors affecting the residual energy head in the structure. Using experimental observations, the accuracy and capability of the full factorial method to describe the residual flow energy in the structure were evaluated. The results showed that the residual energy head for the Froude number corresponding to the design flow discharge at Fr=2.18 is closest to the limit value of 1. On the other hand, for all L/D operating levels, the residual energy head values are close to 1. Moreover, the smallest difference between the values of the residual energy head and the limit value was 1 for Hs/D values between 1 and 2, indicating suitable range for the practical purpose. In addition, a polynomial equation as a function of Fr, L⁄D and Hs ⁄D was expressed to accurately estimate the residual energy head in the vortex, drop structure using regression analysis.