تبدیل گچ به سیمان | مقالات مهندسی عمران

آزمايش پنجم : جريان از روي سرريزها

مقدمه :

هدف از اين آزمايش اصلاح رابطه تواني Q و h و تعيين ضريب تخليه c مي باشد.

طبق تعريف هر مانعي كه بر سر راه جريان در كانال قرار گيرد و باعث شود تا آب در پشت آن بالا آمده و بر سرعت آب در ضمن عبور از روي آن افزوده شود، سر ريز ناميده مي شود.

از موارد مهم كاربرد سر ريزها عبارتند از: اندازه گيري شدت جريان در كانالها، جريان آب روي سر ريز سدها ، مطالعه مقاطع جاده در مواردي كه كالورت ها تحت تاثير جريان سيلاب قرار گرفته اند، سر ريزهاي بكار برده شده در شبكه هاي أبرساني و فاضلاب جهت تخليه يا پخش و … مي باشند.

سر ريزها را از نظر شكل تاج و اينكه أيا تمام با قسمتي از عرض كانال را گرفته اند، تقسيم بندي مي نمايند. در مهمولترين تقسيم بندي ها، سر ريزها به دو گروه "سر ريز لبه تيز" و "سر ريز لبه پهن" تقسيم مي شوند. همچنين سر ريز هاي مي توانند به اشكال مختلف باشند.

سر ريز لبه تيز مستطيلي (در حالت مستغرق) :

اغلب از سر ريزهاي لبه تير براي اندازه گيري جريان استفاده مي شود.

براي محاسبه دبي جاري جاري شده از روي اين سر ريزها و بطوركلي در سرريزهاي لبه تيز مفهوم عمق بحراني در روي سرريز قابل استفاده نبوده، بلكه براي اين منظور فرض مي گردد :

      1.         ارتفاع آب در روي سر ريز همان H_d  باقي مانده و انقياض و كاهش عمق وجود ندارد.

      2.         سرعت آب در روي سرريز تقريباً افقي است.

   3.    فشار در تمام مقطع همان فشار اتمسفر يك باشد.(در اين حالت فرض مي گردد كه سر ريز نظير يك روزنه عمل مي نمايد).

تئوري آزمايش:

يك خط جريان نمونه (Stream line ) را از يك نقطه در سرآب تا يك نقطه در صفحه سرريز مورد مطالعه قرار مي دهيم. با فرض يك سرعت يكنواختV  در بالادست سر ريز، انرژي مخصوص عبارت خواهد بود: 

E=a+h+V²/2g

و اين انرژي در طول مقطع ثابت خواهد بود. فرض مي كنيم سرعت در امتداد خط جريان مفروض، در صفحه سر ريز V و ارتفاع خط جريان روي تاج سر ريز Z باشد.

حال اگر افت انرژي در طول خط جريان وجود نداشته باشد و فشار در صفحه سر ريز آتمسفر يك باشد معادله برنولي را بصورت زير مي توان نوشت:

E=a+h+V²/2g=a+z+V²/2g

با توجه به ناچيز بودن انرژي سرعتي V²/2g در بالا دست در مقطع تقرب و صرفنظر از آن در فرمول فوق سرعت روي سرريز بدست مي آيد:

در مقطع 2 روي سر ريز :                                                                            

براي يك عنصر دبي عبور از عنصر ارتفاع  dz  و عرض B  مي توانيم بنويسيم:

dQ=β.dq=V.β.dz

dQ= β.dq=√(2g(h-z)). β.dz

بشرط آنكه V افقي باشد، با صرفنظر از انقباض جهت ججريان در صفحه سرريز مي توان دبي كل را بصورت زير بدست آورد:

Q=∫dQ=∫√(2g(h-z)). β.dz

با انتگرال گيري خواهيم داشت:

Q= 2/3 β √2g .h^3/2

حال لازم است به دليل مفروضات متعددي كه در ديفرانسيل بكار برديم ضريب بي بعدc  را در رابطه فوق وارد سازيم:

Q= c.2/3 β √2g .h^3/2

سر ريز لبه پهن :

دراين نوع سر ريز ها، لبه سرريز به اندازه كافي پهن بوده و در مقايسه با ساير ابعاد، داراي اندازه قابل ملاحظه اي مي باشد. تاج سرريزهاي لبه پهن افقي و يا داراي انحنا خاصي بوده و اگر چه براي اندازه گيري دبي نيز مورد استفاده قرار مي گيرد اما بيشتر به عنوان سر ريز سدها و گاه به عنوان خود سد (در صورتيكه آب مجاز به گذشتن از روي آن باشد) بكار مي روند و در هر حال مي توان در مواقع لزوم براي ذخيره نمودن حجم هاي زياد آب و ارتفاع هاي بالا، از سرريزهاي لبه پهن استفاده نمود.

سر ريز لبه آبريز(Overflow Spillway , Ogee Spillway) :

اين سر ريزها كه از مهمترين و مشهورترين سرريزهاي از نوع سرريز سدها مي باشند  كه بر اساس محاسبات هيدروليكي مربوط به سر ريزهاي با تاج مدور به گونه اي طراحي مي گردند كه پروفيل تاج و جلو ساختمان آن ها منطبق بر سطح زيرين آب لبريز شده از يك سرريز لبه تيز مستطيلي با همان مشخصات مورد نياز در بالادست جريان اصلي باشد.

روند آزمايش :

ابتدا سرريز را بصورت قائم در كانال، بالا دست بحراني خروجي قرار مي دهيم (ابتدا از سرريز لبه تيز استفاده مي كنيم) و دستگاه را روشن مي كنيم (ابتدا دبي را كم مي كنيم و سپس در هر مرحله به وسيله پيچ تنظيم موتور پمپ دستگاه دبي را به تدريج اضافه مي كنيم) و سپس بر روي مانومترهاي نصب شده بر روي دستگاه دو عدد h₁ و h₂ را قرائت مي كنيم و دبي دستگاه را يكبار به وسيله جدول ارائه شده در جزوه و يكبار به وسيله فرمولهاي تئوري بدست مي آوريم (بايد توجه كنيم كه در سر ريز لبه تيز به علت اينكه جت آبيي كه از روي سرريز عبور مي كند بايد از وجه پايين دست سر ريز جدا باشد و آزادانه به آنسوي سرريز جهش نمايد بايد بوسيله لوله هوادهي، زير تيغه جريان كه از روي سرريز عبور مي كند هوادهي شود تا جدايي تيغه از وجه پايين دست سرريز را تأمين كند و هنگاميكه ديگر نتوانستيم جدائي تيغه از وجه پايين سرريز را تأمين كنيم، اندازه گيري بايد متوقف شود.

محاسبه دبي عبوري :

همانطور كه قبلاً ذكر شد يكبار دبي واقعي دستگاه به وسيله نمودار داخل جزوه اندازه گيري مي كنيم و يكبار بوسيله فرمولهاي زير:

Q= 2/3 β √2g .h^3/2

پرش هيدروليكي : 

پرش ياجهش هيدروليكي از نوع جريانهاي متغير سريع استكه در بسياري از كارهاي عملي با آن روبرو بوده و آن عبارت است از تغيير حالت جريان از فوق بحراني به زير بحراني. چنانچه آب در قسمتي از مسير داراي حالت فوق بحراني بوده و بنا به مشخصات و موقعيت كانال بخواهد تغيير حالت دهد، عمق جريان در مسير نسبتاً كوتاهي به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش يافته و نتيجتاً ضمن ايجاد افت انرژي محسوس، از ميزان سرعت به ميزان قابل توجهي كاسته مي شود. اين پيده كه يكي از پديده هاي مهم جريان آب در كانالهاي باز بوده و از ابتدا تا انتهاي آن يك تلاطم و پيچش سطحي آب وجود دارد، به پرش هيدروليكي يا پرش آبي موسوم است.در چنين حالت و به تناسب شدت پرش، آشفتگي هايي در سطح آب ديده مي شودكه بتدريج كه به سمت انتهاي پرش نزديك مي شويم از شدت آنها كاسته شده و متناسباً به جهت تبديل انرژي به گرما، انرژي آب نيز كاهش مي يابد. علاوه بر آن به جهت آشفتگي و تلاطم و بر اثر برخورد آب با هوا، مقداري هوا با در قسمتهاي سطحي مخلوط شده كه به سمت پايين دست منتقل و نهايتاً به شكل حباب هوا رها مي گردد

نتايج آزمايش :

قسمت اول : سر ريز آيروديناميک

نقطه قبل از پرش :

جريان فوق بحرانی

نقطه بعد از پرش :

جريان زير بحرانی

قسمت دوم : سر ريز مستطيلی ساده

نقطه قبل از پرش :

جريان زير بحرانی

نقطه بعد از پرش :

جريان زير بحرانی

قسمت سوم : سر ريز لبه تيز

نقطه قبل از پرش :

جريان فوق بحرانی

نقطه بعد از پرش :

جريان فوق بحرانی

قسمت چهارم : سر ريز اوجی

نقطه قبل از پرش :

جريان فوق بحرانی

نقطه بعد از پرش :

جريان زير بحرانی

افزودنی تبدیل گچ به سیمان