بررسی حالت تشدید و تشکیل امواج با حداکثر دامنه در برخورد جریان به موانع با استفاده از چهار قطر مختلف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی رامین

2 استاد گروه سازه های آبی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

در بسیاری از مواقع مجموعه ای از موانع مانند پایه های پل در مسیر رودخانه، پایه های اسکله در دریا، وجود گیاهان و درختان در بستر رودخانه و پایه های هر سازه هیدرولیکی دیگر که در یک مجرای روباز قرار دارد، در مسیر حرکت آب قرار می گیرد. با عبور آب از بین این موانع استوانه ای، در پائین دست موانع ورتکس ایجاد شده و  از همپوشانی ورتکس ایجاد شده از هر کدام از موانع، امواج سطحی که راستای انتشارشان عمود بر جهت جریان آب است، تشکیل می شود. این امواج با حداکثر دامنه، زمانی شکل می گیرند که بسامد نیروی ناشی از ورتکس موانع با یکی از بسامدهای طبیعی نوسان آب برابر شود و تشدید صورت پذیرد. مساله موج عمود بر جریان جز پدیده های بسیار جالب هیدرولیکی است و درباره آن کار تحقیقاتی جامع، کامل و مهمی در دنیا صورت نگرفته و در این رابطه تحقیقات مختلف و جامعی در مجاری بسته و در سیالاتی به غیر از آب صورت گرفته است. در سالهای اخیر تحقیقاتی در کانالهای روباز توسط زیما و همکاران، قمشی و همکاران و عزیزی انجام شده است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی حالت تشدید و تشکیل امواج با حداکثر دامنه در برخورد جریان به موانع با استفاده از چهار قطر مختلف بوده است. در این تحقیق در مجموع 3304 آزمایش صورت پذیرفت که در 398 آزمایش، جریان بر روی موانع استوانه ای مستغرق بود. در این آزمایشات پارامترهای  فواصل طولی و عرضی موانع، تراکم، قطر، دبی، آرایش موانع، عمق و سرعت جریان متغیر بود. در مجموع 166 نوع آزمایش وجود دارد که در آنها پارامترهای فواصل طولی و عرضی موانع، تراکم، قطر، دبی و آرایش موانع یکسان می باشد. در هر نوع آزمایش، با تغییر عمق و سرعت جریان به وسیله دریچه انتهایی فلوم، امواج مختلفی در عرض فلوم تشکیل شد، که حداکثر دامنه موج عرضی مشاهده شده در آزمایشات 40 درصد بوده است. برای انجام این تحقیق از موانع استوانه ای با چهار قطر مختلف به اندازه 5، 12، 25 و 42 میلیمتر استفاده شد و همین امر از عوامل بسیار مهم و تاثیر گذار بر روی شکل گیری ده نوع موج عرضی در فلوم بوده است. با گستردگی متغیرها، در برخی از حالات تشکیل امواج عرضی با حداکثر دامنه در حالت استغراق موانع نیز صورت پذیرفت. پس از انجام آنالیز ابعادی و با استفاده از نرم افزاز SPSS و انجام تجزیه و تحلیلهای آماری رابطه ای جهت محاسبه دامنه نسبی ماکزیمم امواج عمود بر جریان ناشی از ورتکس مجموعه ای از موانع استوانه ای در کانالهای روباز بدست آمده است. مدل ارائه شده در تحقیق برای پیش بینی دامنه نسبی ماکزیمم امواج با استفاده از پارامترهای بدون بعد اندازه گیری شده در تحقیق حاضر که در ساخت مدل دخالت نداشته اند، مورد بررسی قرار گرفت که مدل ارائه شده پیش بینی نسبتا خوبی را دارا بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of resonance and generated transverse waves with maximum amplitude from obstructions by use of four different sizes

نویسندگان [English]

  • Ahmad Jafari 1
  • Mehdi Qomshi 2
چکیده [English]

There are many conditions in open channel flows where the steady flow of water passes through a cluster of vertical cylinders. These vertical cylinders may represent piers of bridge, jetty or vegetation on the floodplain of rivers. Research on vortex shedding has been mainly focused on the acoustic resonant noise generated from heat exchangers when a gas flows through bank of tubes. In contrast, research on the vortex shedding and related phenomena for water as the transfer medium is very limited. Consider a free stream of velocity U that flows past a cylinder of diameter D, Periodic vortex shedding occurs downstream from the cylinder when the Reynolds Number, defined in terms of the cylinder diameter is greater than approximately 40. When each vortex is shed, the cylinder and the fluid experience equal and opposite forces. These forces have components perpendicular to the direction of the mean flow and are the exciting forces capable to create transverse surface waves.
In this study attention is focused on the transverse waves generated in an open channel, where the flow passes through a cluster of rigid vertical cylinders. The experiments were conducted in a laboratory flume with 6m in length and 0.72m in width and 0.6m in height. The rigid rods were screwed into the bed of the flume at different distances and spacing (i.e. different T and P) and for pattern distributions (i.e. staggered and in-line). In this study, the height of the outlet control weir was changed from the highest to the lowest levels, with ten modes of oscillation occurring across the laboratory flume for each sequence and the discharge of flow was varied. A comprehensive set of experiments (3304 in total) were conducted in flume. In some of the experiments (398 Exp.) the flow was submerged on the obstructions and for some of these experiments the waves still were formed. The waves were produced from the periodic forces created by the vortex shedding from the cylinders. In specific conditions these forces may create transverse waves with maximum amplitude in the channel. The maximum relative amplitudes in each mode of the waves (in each type of the experiments) are selected and used for the further analysis. The results provided an explanation for different wave formations that might occur due to vortex shedding for free and submerged flow on the obstructions. Finally new formulations were obtained from dimensional analysis, to estimate the amplitude of the transverse wave generated by vortex shedding in open channels.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cylinder
  • Maximum amplitude
  • Resonance
  • Wave
1. عزیزی، ر. 1387. بررسی تاثیر امواج عمود بر جریان ناشی از ورتکس موانع بر ظرفیت انتقال رسوبات در مجاری روباز، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.
2. Blevins, R. D. 1977. Flow-induced Vibration, VNR, London, Toronto, Melbourne.
3. Dean, G. D. and R. A. Dalrymple. 1984. Water wave mechanics for engineers and scientists, World Scientific, London.
4. Ghomeshi, M.; S. A. MortazaviDorcheh  and R. Falconer. 2007. Wave Formation by Vortex Shedding in Open Channel, Journal of Applied Sciences 7 (24).
5. Jafari, A.; M. Ghomeshi; M. Bina and S. M. Kashefipour. 2010. Experimental study on ten modes of transverse waves due to vertical cylinders in open channels, Scientific International Journal of Food, Agriculture & Environment, JFAE, Helsinki, Finland, Vol 8. (2).
6. Jafari, A.; M. Ghomeshi; M. Bina and S. M. Kashefipour. 2010. Comparing of ten modes of oscillation occurring across the open channels, IAHR-APD 2010 Congress, The School of Engineering, The University of Auckland, New Zealand, 21 - 24 February.
7. Prasanth, T. K. and S. Mittal. 2009. Vortex-induced vibration of two circular cylinders at low Reynolds number, Journal of Fluids and Structures.
8. White, F. M. 1979. Fluid mechanics, McGraw-Hill, New York.
9. Williamson, C. H. K. and R. Govardhan. 2004. Vortex-Induced Vibrations, Annual Review of Fluid Mechanics, Volume 36, 413.
10. Zima, L. and N. L. Ackermann. 2002. Wave Generation in Open Channels by Vortex Shedding from Channel Obstructions, J. of Hydraulic Engineering, ASCE.