Transcript دکتر رجبی
هیدرولیک کانالهای باز Open Channel Hydraulics دکتر رجبی منبع و فصل های مصوب: فصل بندی مباحث -فصل اول :کلیات و مفاهیم اولیه فصل دوم :اصل انرژی درکانالهای باز-فصل سوم :اصل اندازه حرکت درکانالهای باز فصل چهارم :جریانهای یکنواخت درکانالهای بازفصل پنجم :جریانهای متغییر تدریجی درکانالهای باز-فصل ششم :سازه های کنترل کننده جریان نحوه تخصیص نمرات الف) نیم ترم ب) کوییز پایان فصل 3نمره 3نمره فصل اول :مفاهیم اساس ی جریان سیاالت مفاهیم :انواع جریان با توجه به معیار زمان جریان دائمی (ماندگار) Steady Flow در هر مقطع جریان ()x=const y V Q 0, 0, 0 t t t جریان غیردائمی Unteady Flow در هر مقطع جریان ()x=const y V Q 0, 0, 0 t t t فصل اول :مفاهیم اساس ی جریان سیاالت جریان آزاد (یک مرز جریان -سطح آزاد- در تمام مسیر در معرض فشار اتمسفر –فشار ثابت) و تحت فشار (تمام مایع درون یک مرز بسته) انرژی کل مقطع: V 2 P H Z 2g خط تراز انرژی :انرژی کل V 2 P در مسیر) Z 2g خط تراز هیدرولیکی Z P فصل اول :مفاهیم اساس ی جریان سیاالت انواع جریان با توجه به معیار مکان (فضا) جریان یکنواخت Uniform Flow در هر لحظه زمانی ثابت ()t=const 0 جریان غیر یکنواخت در هر لحظه زمانی ثابت ()t=const Varied Flow y x y 0 x جریان متغیر تدریجی Gradually V.F.انحنای خطوط جریان کم است. جریان متغیر ناگهانی ( Rapidly V.F.پرش هیدرولیکی) جریان متغیر مکانی Spatially V.F.اضافه یا کم شدن دبی جریان آب فصل اول :مفاهیم اساس ی جریان سیاالت تقسیم بندی جریان در کانال های باز جریان دائمی .1یکنواخت : .2متغیر تدریجی :پس زدگی در پشت دریچه کشویی کانال ،بند و یا سد .3متغیر ناگهانی :پرش هیدرولیکی .4متغیر مکانی :جریان سرریز سد با دبی ثابت از لبه سرریز به کانال جانبی اصلی جریان غیر دائمی .1یکنواخت :نداریم .2متغیر تدریجی :عبور سیل از رودخانه .3متغیر ناگهانی :جزر و مد در رودخانه – بستن ناگهانی دریچه کشویی کانال .4متغیر مکانی :لبریز شدن موج سیالب در هنگام عبور موج سیالب از کنار رودخانه فصل اول :مفاهیم اساس ی جریان سیاالت y 0 x y 0 x فصل اول :کانال های باز و مشخصات هندس ی مقاطع آنها تقسیم بندی کانال ها مصنوعی یا طبیعی منشوری یا غیر منشوری (سطح مقطع و شیب) کانالهای با جداره ثابت و متحرک (فرسایش) انواع مقاطع کانالهای باز مقطع ذوزنقه ای (شیب کناره موجب پایداری در برابر لغزش) حاالت خاص :مستطیلی و مثلثی مقطع دایره ای (سیستم جمع آوری فاضالب) مقطع سهمی شکل فصل اول :کانال های باز و مشخصات هندس ی مقاطع آنها مشخصات هندس ی مقاطع کانال ها عمق جریان 6 y d else y d cos سطح مقطع جریان (سطح مقطع در صفحه عمود بر جهت عمومی جریان) عرض سطح آزاد T or B پیرامون مرطوب P R A P شعاع هیدرولیکی D A T عمق هیدرولیکی Z A D A 1.5 T فاکتور سطح در محاسبه مقطع بحرانی انواع کانالهای مصنوعی –کانال :آبراهه طوالنی با شیب مالیم- ،تبدیل کانال پایه دار(فلوم) :ساخته شده از چوب و – ...تندآبراه(شوت) :شیب کف تند -شیب شکن :شوت برای اختالف ارتفاع کم – آبرو(کالورت) :عبور آب از زیر جاده و.. فصل اول :وضعیت جریان در کانالهای باز تاثیر نیروی ثقل (در مقایسه با نیروی شتابدهنده): V gD .1جریان زیر بحرانی (سرعت کم و عمق زیاد) .2جریان فوق بحرانی (سرعت زیاد و عمق کم ) .3جریان بحرانی V gL Fr Fr 1 Fr 1 Fr 1 بطور کلی جریان در کانالها آشفته است ،تاثیر لزجت اندک بوده و ضریب اصطکاک مستقل از عددرینولدز و صرفا تابعی از زیری نسبی است .در عین حال به نیروی ثقل (عدد فرود) نقش مهمی در معادالت بدست آمده در جریان آب در کانال دارد. مدلسازی فیزیکی جریان با سطح آزاد بر پایه عدد فرود است. فصل اول :وضعیت جریان در کانالهای باز تاثیر نیروی لزجت (در مقایسه با نیروی شتابدهنده): V L V R Re .1جریان آرام (الیه ای) –قانون لزجت نیوتن حاکم است. .2جریان انتقالی 500 Re 2000 Re 2000 .3جریان آشفته (متالطم) لزجت گردابه ای اضافه می شود. اگر از دید ماکروسکوپی سرعت متوسط جریان در یک نقطه بر حسب زمان ثابت باشد جریان دائمی است. رژیم جریان: رژیم زیر بحرانی -آرام رژیم زیر بحرانی -آشفته رژیم فوق بحرانی -آرام رژیم فوق بحرانی -آشفته Re 500 فصل اول :وضعیت جریان در کانالهای باز در یک کانال مستطیلی عریض آبی با دمای 20درجه در جریان است .امکان ایجاد رژیم جریان آرام؟ حل: y (b 50 y ) R y by R ,b b 2y 1 106 106V y , VR Re Laminar flow:Re 500 106V y 500 V y 5 104 if y 0.1 then V 0.005m / s فصل اول :وضعیت جریان در کانالهای باز در یک کانال ذوزنقه ای آبی به صورت یکنواخت با دبی 8.5 m3/sدر جریان است .اگر عمق جریان 1.22 mباشد رژیم جریان؟ b 3.05m , z 1.5, 1e 6 m 2 s حل: رژیم زیر بحرانی -آشفته .8 (b zy ) y R b 2y 1 z A (b zy ) y 5.95 2 (b zy ) y .88 b 2zy Q V 4.3 A VR Re 1.14e 6, Fr D .45 V gD فصل اول :توزیع سرعت در کانالها ترسیم منحنی های هم سرعت جهت تعیین سرعت در کانالها (زبری جداره ،سطح آزاد و مقطع نامنظم) مقدار سرعت در جداره صفر است و با دور شدن از آن افزایش می یابد. گرادیان سرعت در مجاورت مرزها شدیدتر است. سرعت ماکزیمم در هر مقطع قائم در نزدیکی سطح آزاد آب و در فاصله 0.05تا 0.25عمق جریان ازسطح آزاد آب اتفاق می افتد (جریانهای ثانویه) V 0.2 y V 0.8 y سرعت متوسط در مقطع قائم بصورت تجربی V 2 اگر عمق جریان کم باشدV V 0.6 y 0 0 0 فصل اول :توزیع سرعت در کانالها دبی کل i A V i Q i سرعت در سطح آزاد آب Qi AiV i Q V KV s : K تابع شکل مقطع ()0.8<K<0.95 مثال:نشان دهید قانون لگاریتمی سرعت در کانالهای هماهنگی دارد. مستطیلی عریض با V V 0.6 y 0 K 0.4 y 1 ln , y0 *V K U V y y 1 ln ln 1 y 0.368 y 0 y0 y0 0.368 y 0 0.632 y 0 *V K V V y y0 توزیع سرعت در کانالها:فصل اول نشان دهید قانون لگاریتمی سرعت در کانالهای مستطیلی عریض با رابطه زیر: مثال .هماهنگی دارد V 0.2 y V 0.8 y V 0 0 2 U V V* K y 1 ln , y0 0.2 y 0 1 ln y0 0.8 y 0 V V * 1 ln K y0 V 0.2 y 0 V V 0.8 y 0 K 0.4 V* K V 0.2 y 0 V 0.8 y 0 2V V* K 0.2 y 0 0.8 y 0 1 ln 1 ln y y 0 0 0.2 y 0 0.8 y 0 1 ln 1 ln 0.16 V 0.2 y 0 V 0.8 y 0 y0 y0 2V فصل اول :توزیع فشار در کانالها توزیع فشار در جریان های یکنواخت PdA hdA cos P h cos 0, F n P d cos y cos 2 y 6 P d توزیع فشار در جریان های متغیر تدریجی :فرض فشار هیدرواستاتیک حاکم است توزیع فشار در کانالها:فصل اول )توزیع فشار در جریان های با انحنا در صفحه قائم(محدب F n man , an V P h hV 2 2 r, PdA hdA dA hV V 2h gr h h gr P V 2h h hs h hs c gr 2 r 0 توزیع فشار در کانالها:فصل اول )توزیع فشار در جریان های با انحنا در صفحه قائم(مقعر F n man , an V P h hV 2 2 r, PdA hdA dA hV V 2h gr h h gr P V 2h h hs h hs c gr 2 r توزیع فشار در کانالها:فصل اول رابطه ای برای تغییر،پیش از انحناV با فرض عمق جریان ثابت و سرعت یکنواخت: مساله بیان کنیدفشارنسبت به عمق بر حسب dr W F n man , an V 2 r ( p dp )dA pdA drdA cos drdAV dp dr cos drV p r r r dp 0 p (r ) 2 cos V 2 2 r dp cos V dr 2 r r dr p ( r ) cos r R d V 2 r cos r d R ln g R d V g r 2 ln r R d فصل اول :بررس ی معادالت حاکم بر حرکت سیاالت تحلیل یک بعدی جریان :بر مبنای سرعت متوسط مقطع و در نظر نگرفتن تغییرات عرض ی سرعت .در هر مقطع از جریان سرعت و فشار ثابت است. حجم کنترل :حجمی از سیال که موقعیت و شکل آن در فضا در نظر گرفته میشود. رابطه پیوستگی: (mجرم) ورودی به حجم کنترل در واحد زمان(m -جرم) خروجی از حجم کنترل در واحد زمان= تغییر (mجرم) در داخل حجم کنترل در واحد زمان رابطه اندازه حرکت: برآیند نیروهای خارجی وارد بر جرم داخل حجم کنترل در واحد زمان(وزن ،فشار یا نیروهای سطحی)= تغییرات اندازه حرکت در داخل حجم کنترل در واحد زمان(جریان غیردائمی ناش ی از شتاب موضعی ذرات) +تغییرات اندازه حرکت بر روی سطوح کنترل در واحد زمان( در جریان دائمی و غیردائمی ناش ی از شتاب جابجایی ذرات سیال) رابطه انرژی: انرژی خروجی از حجم کنترل در واحد زمان= انرژی ورودی به حجم کنترل در واحد زمان +افت انرژی در واحد زمان فصل اول :کاربرد روابط حاکم بر حرکت سیاالت درجریان در کانالهای باز رابطه پیوستگی: (mجرم) ورودی به حجم کنترل در واحد زمان(m -جرم) خروجی از حجم کنترل در واحد زمان= تغییر (mجرم) در داخل حجم کنترل در واحد زمان Q1 AV 1 1 ,Q 2 A 2V 2 Q1 Q 2 Then If q * 0 با فرض جریان دائمی برای کانال Q A V vdA A vdA A A Q A V فصل اول :کاربرد روابط حاکم بر حرکت سیاالت درجریان در کانالهای باز رابطه پیوستگی: با فرض جریان غیر دائمی برای کانال Q x x A T y y , t 1) Q ( x x ) Q ( x ) 2) Q ( x x ) Q ( x ) T x Q y T 0 x t 1, 2 فصل اول :کاربرد روابط حاکم بر حرکت سیاالت درجریان در کانالهای باز رابطه اندازه حرکت :برآیند نیروهای خارجی وارد بر جرم داخل حجم کنترل در واحد زمان(وزن ،فشار یا نیروهای سطحی)= تغییرات اندازه حرکت در داخل حجم کنترل در واحد زمان +تغییرات اندازه حرکت بر روی سطوح کنترل در واحد زمان : ضریب تصحیح اندازه حرکت که از نسبت اندازه حرکت بر مبنای سرعت حقیقی به اندازه حرکت بر مبنای سرعت نسبی بدست آمده 2 v dA V 2 A A M out M in F Fp1 Fp 2 Ff W sin V 2 A 2V 2 V 1A1V 1 ) Fp1 Fp 2 Ff W sin Q ( A 2V 2 A1V 1 ) Fp1 Fp 2 Ff W sin Q ( 2V 2 1V 1 فصل اول :کاربرد روابط حاکم بر حرکت سیاالت درجریان در کانالهای باز رابطه انرژی :انرژی خروجی از حجم کنترل در واحد زمان= انرژی ورودی به حجم کنترل در واحد زمان +افت انرژی در واحد زمان ضریب تصحیح انرژی :نسبت انرژی جنبش ی بر مبنای توزیع سرعت حقیقی به انرژی جنبش ی بر مبنای سرعت نسبی بدست آمده v 3dA A A 3 V 3 v 2 dA A 3 V A 2 V 12 P1 V 22 P Z 1 hf 2 Z2 2g 2g H 1 hf H 2 , V 12 P1 V 22 P 1 Z 1 hf 2 2 Z2 2g 2g V 12 V 22 1 d 1 cos Z 1 hf 2 d 2 cos Z 2 2g 2g V 12 V 22 2 1 y 1 cos Z 1 hf 2 y 2 cos 2 Z 2 2g 2g فصل اول :بررس ی توابع توزیع سرعت در مقطع جریان ضرایب تصحیح انرژی جنبش ی و اندازه حرکت تحت تاثیر عوامل توزیع سرعت در مقطع 1 جریان هستند و از روابط تجربی و تعیین می شوند. 2.7to 2.8 1 مقاطع مرکب (رودخانه ها) V max 1 V 2 2 2 1A1 V 2 A 2 V 3A3 ) V 2 m ( A1 A 2 A 3 V 1 3 2 2 3 , 1 2 , 3 3 3 1A1 V 2 A 2 V 3A3 ) V 3m ( A1 A 2 A 3 Q1 Q 2 Q 3 V 1A1 V 2 A 2 V 3 A 3 A1 A 2 A 3 A1 A 2 A 3 i A Ai Ai )2 i 2 i V V ( , A i2 i Ai A i )3 i 3 Vm V V V ( ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: ٍExample: