مبانی نظری و پیشینه تحقیق برای فصل دوم پایان نامه بررسی آزمایشگاهی تاثیر عرض و ارتفاع زبری¬های ممتد مثلثی شکل بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه¬های آرامش افقی

۲-۲- روش هاي استهلاك انرژي

يكي از پارامترهاي مهم در طراحي سيستم هاي هيدروليكي كنترل سرعت جريان مي‌باشد. سرعت جريان براي شرائط مختلف طراحي بايد در محدوده قابل قبولي قرار گيرد تا از تخريب و خسارات جلوگيري شود. سرعت زياد آب در يك كانال و يا رودخانة طبيعي، فرسايش بستر و جدارهاي كانال را به همراه دارد. وجود امواج در سطح آب به دليل انرژي جنبشي آب، ديواره‌هاي ساحلي رودخانه‌ها را شديداً در معرض فرسايش قرار مي‌دهد و مي‌تواند خسارات جبران‌ناپذيري به تأسيسات مجاور رودخانه وارد كند، بنابراين كنترل انرژي جنبشي آب در تأسيسات آبي از اهميت بالائي برخوردار مي‌باشد. معذالك در بسياري مواقع بدلائل مختلفي از قبيل شيب زياد، سقوط آزاد آب، با انرژي جنبشي بيش از حد جريان آب مواجه مي‌شويم كه ناچاراً مي‌بايستي سازه‌هائي طراحي شود تا انرژي جنبشي اضافي را مستهلك و سرعت جريان به حد قابل قبولي تقليل يابد. اينگونه تأسيسات هيدروليكي را سازه‌هاي استهلاك كننده انرژي نامند.

۲–۳- استهلاك انرژي با ايجاد پرش هيدروليكي

۲-۳-۱- مقدمه

همانطور كه قبلاً اشاره شد، تغيير رژيم جريان از حالت فوق بحراني به حالت زيربحراني كه با افزايش ناگهاني سطح آزاد آب و افت انرژي قابل توجه همراه است، پرش هيدروليكي نام دارد. هنگامي كه جريان با سرعت زياد با توده آب در حال حركت با سرعت كم برخورد نمايد، ابتدا جريان با سرعت زياد در زير توده آب حركت مي كند، سپس به سمت سطح آب پخش و گسترده مي يابد. اين عمل موجب تلاطم و پيدايش گرداب­ها در داخل و غلتاب­ها در سطح آب مي شود. غلتاب­ها به طور پيوسته در سطح آزاد پرش تشكيل مي شوند و در جهت عكس حركت عقربه­هاي ساعت حركت ميكنند ( شكل ۲-۱) غلتاب‌ها موجب وارد شدن هوا به داخل جريان و ايجاد   حباب­هاي هوا و سفيدي رنگ آب مي شوند. حركت غلتاب­ها و گرداب‌هاي ناشي از تلاطم، سبب اتلاف مقدار زيادي انرژي در پرش به صورت گرما مي شوند.

شكل ۲-۱- توصيف پرش هيدروليكي

در كانال­هاي پرش هيدروليكي در زير دريچه­هاي تنظيم كننده، در پاي سرريزها و يا در محلي كه كف يك كانال با شيب تند به طور ناگهاني مسطح شود، به وجود مي آيد. قدرت پرش به عدد فرود قبل از آن بستگي دارد. هر قدر عدد فرود بيشتر باشد، پرش قوي تر است.

عمق جريان قبل از پرش را عمق اوليه و عمق جريان بعد از پرش را عمق ثانويه يا متوالي می گویند. مقطع (۱) که در آن جا جریان فوق بحرانی وارد پرش
مي شود و نقطه آغاز جهش است، پاشنه پرش ناميده مي شود. مقطع (۲) كه بعد از پرش و در خارج از منطقه غلتابي قرار دارد و در‌آن جا سطح آب تقريباً هموار است، انتهاي پرش مي باشد.

شکل ۲-۲- تعريف ترسيمي طول پرش و طول غلتاب

علاوه بر اينكه از پرش هيدروليكي بعنوان يك وسيلة مؤثر براي استهلاك انرژي مخرب مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در موارد ذيل از آن نيز استفاده مي‌شود:

۱- بالا آوردن سطح آب پاياب، براي كاهش اثر فشار بالا دهنده

۲- چون در محدودة پرش هيدروليكي جريان متلاطم مي‌باشد، مي‌توان جهت اختلاط مواد خارجي و هوا در آب، از آن استفاده كرد.

۳- بالا آوردن سطح آب در كانال­هاي آبياري جهت توزيع آب

۴- خارج كردن حباب­هاي هوا در مجاري لوله‌اي.

۲-۴- انواع پرش هيدروليکي

به طول کلي پرش­هاي هيدروليکي به دو دسته آزادومستغرق تقسيم مي شوند. در پرش هيدروليکي آزاد اعمال اوليه و ثانويه و شکل پرش مشخص و قابل رويت است (شکل۲-۴الف). در صورت که در پرش هيدروليکي مستغرق، پرش کاملاً در زير آب قرار دارد (شکل ۲-۴ ب). اداره عمران ايالات متحده (USBR) بر پايه عدد فرود جريان فوق بحراني قبل از پرش ()، پرش­هاي هيدروليکي آزاد در کانال­هاي مستطيلي با کف مسطح را به پنج نوع تقسيم کرده است. مشخصات اين پنج نوع پرش در جدول ۲-۱ ارائه شده است.

۲-۵- محل تشکيل پرش

در يک کانال مستطيلي در جايي که جريان فوق بحراني با جريان زير بحراني برخورد نمايد و    عمق­هاي بالادست و پايين دست محل برخورد، در معادله (۲-۳۲) يا (۲-۳۳) صدق کنند، پرش هيدروليکي تشکيل مي شود. شکل (۲-۵) تشکيل پرش هيدروليکي را در پايين دست يک سرريز و بعد از يک دريچه کنترل در سه حالت نشان مي دهد. با توجه به اين که عمق جريان در پاي سرريز يا عمق جريان پس از خروج از دريچه، عمق مزدوج وابسته به  که از رابطه (۲-۳۲) به دست مي آيد و  عمق جريان در کانال پايين دست (پاياب) است، يکي از سه حالت زير ممکن است اتفاق افتد:

حالت اول: عمق پاياب با عمق  برابر است . در اين حالت پرش بلافاصله بعد از خروج جريان از دريچه و يا در پاي سرريز تشکيل مي شود ( شکل ۲-۵ الف).

حالت دوم: عمق پاياب کوچکتر از عمق  است . در اين حالت پرش به سمت پايين دست تا محلي که رابطه (۲-۳۲) براي عمق­هاي قبل و بعد از آن صادق باشد، رانده مي شود. به بيان ديگر، در اين حلات، جريان فوق بحراني  پاي سرريز و يا بعد از دريچه، به راه خود به طرف پايين دست ادامه مي دهد و به تدريج بر عمق جريان افزوده مي شود تا جريان به عمقي مثلاً که با عمق  مزدوج باشد، برسد.

بديهي است پس از رسيدن عمق جريان به ، بلافاصله پرش تشکيل مي گردد (شکل ۲-۵ ب). معمولاً چنين پرشي را پرش خزيده مي گويند. پرش­هايي که تحت شرايط   تشکيل مي شوند، پرش آزاد هستند و بر روي جريان از زير دريچه تأثير ندارند.

حالت سوم: عمق پاياب بزرگتر از عمق  است . در اين حالت  پرش به عقب بر مي گردد. چنين  پرشي را پرش مستغرق مي نامند (شکل ۲-۵ ج). افت انرژي در پرش مستغرق کمتر از افت انرژی در پرش آزاد است. پرش مستغرق بر روي جريان از زير دريچه تأثير مي گذارد.

…..

…..