روش‌های جلوگیری از تشکیل امواج عمود
روش‌های جلوگیری از تشکیل امواج عمود
انجام پایان نامه
مقدمه
تشكيل گردابه‌هاي كوچك و بزرگ در اطراف موانع و اجسام با هندسه‌های مختلف، جدايي جريان و محل شروع آن نقش تعيين‌كننده‌اي بر ميدان‌هاي سرعت، فشار، ورتکس و غیره دارد .
لذا بررسي و مطالعه‌ي اين گردابه‌ها از اهميت زيادي برخوردار است و يكي از شاخص‌هاي مهم جريان حول موانع مي‌باشد.
با قرار گرفتن یک جسم ساکن در مقابل جریان، اگر گرادیان فشار مثبت (معکوس) باشد، یعنی فشار در امتداد جریان افزایش یابد، لایه مرزی به سرعت ضخیم می‌شود.
در نتیجه پس از رشد لایه مرزی روی سطح جسم جامد، سبب می‌شود که لایه مرزی به سکون برسد و پدیده جدایی خطوط جریان رخ دهد.
بعد از نقطه جدایی گرادیان فشار معکوس باعث می‌شود که در نزدیکی مرز، جریان برگردد که به آن دنباله می‌گویند.
تداخل جريان دنباله سيال ميان دو يا چند جسم را مي‌توان در کاربردهاي صنعتي زيادي از قبيل صنايع هوافضا، پایه پل‌های واقع در مسیر رودخانه، اسکله‌ها، پايه‌هاي سكوهاي دريايی و غیره مشاهده نمود.
علاوه بر این، در مجاری روباز در اثر هم پوشانی ورتکس ناشی از موانع، امواج عمود بر جریان تشکیل می‌شود .
بر این اساس، می‌توان با شناسایی محل‌های مستعد و عوامل ایجاد امواج عمود بر جریان، از قدرت تخریبی قابل توجه آنها جلوگیری کرد.
همچنین، می‌توان از قدرت آن جهت امور مثبت، از جمله تولید انرژی الکتریکی و یا کمک به ته‌نشین نمودن بار رسوب معلق جریان هنگام ورود جریان به مخازن آبگیری از رودخانه و سایر تأسیساتی که وجود رسوب در آنها مخرب است، استفاده نمود .
به علت هندسه خاص موانع واقع در معرض جریان سیال و ماهيت جريان متلاطم، نيروهاي وارد بر این موانع نوسان زيادي دارند. نوسان نيروهاي هيدروديناميكي مي‌تواند باعث ارتعاش موانع شود.
اگر فركانس نوسان نيروها با فركانس طبيعي موانع يكسان شود، پديده تشديد روي خواهد داد.
همچنين، این نيروهاي نوساني مي‌تواند باعث ايجاد خستگي در موانع، خصوصاً در محل‌هاي اتصال آنها شود .
در مورد گردابه‌های ایجاد شده توسط جریان آب در کانال‌های باز مطالعات بسیار محدودی انجام شده است.
زیما و آچرمان به بررسی امواج عرضی عمود بر مسیر جریان ناشی از گردابه ایجاد شده پس از برخورد جریان با موانع پرداختند و در آزمایش‌های خود امواج نوع یک و نوع دو را مشاهده کردند.
همچنین، آنها رابطه‌ای را به منظور محاسبه حداکثر دامنه موج عرضی ایجاد شده ارائه دادند.
حسن‌زاده و همکاران الگوی جریان اطراف پایه‌هایی با مقاطع دایره، دوکی، بیضی، مستطیلی، مربعی و مستطیلی گرد گوشه (مستطیل- دایره) را به صورت سه بعدی و با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت شبیه‌سازی کردند.
نتایج مطالعه آنها نشان می‌دهد که مقطع دوکی و بیضی شکل بهترین نوع مقطع در کاهش تنش برشی و در نتیجه کاهش آب شستگی اطراف پایه می‌باشد.
در این مقاطع جریان از اطراف پایه به آرامی می‌گذرد و آشفتگی زیادی در جریان به وجود نمی‌آید و جریان برگشتی که یکی از عوامل مهم آب شستگی می‌باشد در مقطع دوکی شکل دیده نمی‌شود.
] با تست‌های تجربی به اندازه‌گیری نوسانات ناشی از نیروی درگ حول مجموعه‌ای از استوانه‌های دایروی با آرایش‌های ردیفی و در کنار هم واقع در جریان کانال باز پرداختند.
در مطالعه انجام شده مشخصات جریان حول دو سیلندر دو بعدی با مقاطع مربع و مثلث متساوی الاضلاع در آرایش پشت سر هم به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت.
از مهم‌ترین نتایج این مطالعه می‌توان به مشاهده دو الگوی مختلف برای جریان اشاره کرد که در فواصل کمتر از فاصله‌ی بحرانی، ریزش گردابه از سیلندر بالادست رخ نمی‌دهد.
در فواصل بیشتر از فاصله‌ی بحرانی ریزش گردابه از هر دو سیلندر مثلثی و مربعی اتفاق می‌افتد. فاصله بحرانی برای این آرایش سه برابر طول ضلع سطح مقطع سیلندرها به دست آمد.
پرسی و همکاران به بررسی تجربی ضرایب هیدرودینامیکی موانع استوانه‌ای شکل در جریان کانال باز پرداختند آنها توانستند امواج نوع یک، دو، سه و چهار را در فلوم آزمایشگاهی مشاهده نمایند.
جعفری و قمشی به بررسی حالت تشدید و تشکیل امواج با حداکثر دامنه در برخورد جریان به موانع با استفاده از چهار قطر مختلف به اندازه 5، 12، 25 و 42 میلی‌متر پرداختند.
آنها پس از انجام آنالیز ابعادی و با استفاده از نرم‌افزار SPSS و انجام تجزیه و تحلیل‌های آماری رابطه‌ای جهت محاسبه دامنه نسبی ماکزیمم امواج عمود بر جریان ناشی از ورتکس مجموعه‌ای از موانع استوانه‌ای در کانال‌های روباز ارائه کردند.
سامنر در مطالعه مروری خود به بررسی مطالعات انجام شده در مورد جریان اطراف دو مانع بزرگ با قطر مساوی پرداخته است. در مطالعه او آرایش‌های مربوطه به‌صورت پشت سر هم، کنار هم و زیگزاگی بررسی شده است.
این محقق طبقه‌بندی الگوی جریان و تأثیر عدد رینولدز را مورد بررسی و مقایسه قرار داد و همچنین اندازه‌گیری آزمایشگاهی نیروی وارده از جریان بر سطوح موانع، فرکانس ارتعاش ناشی از ورتکس، سرعت جریان و سایر پارامترها و مدل‌های عددی را نیز انجام داده است.
ارتعاش ناشی از ورتکس چهار مانع استوانه‌ای زبر را در یک آرایش مربعی شکل به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند و ضریب دراگ این موانع را در جریان کانال رو باز مورد مطالعه قرار دادند. ارتعاش ناشی از ورتکس در استوانه‌هایی که به‌صورت کوپل در کنار هم قرار داشتند را به‌صورت عددی مورد مطالعه قرار داد.
فرکانس تشدید امواج عرضی در اثر گرداب ناشی از برخورد جریان به موانع با آرایش‌های مختلف را مطالعه کردند.
آنها از یک فلوم مستطیلی جهت انجام آزمایش‌ها در دبی ثابت و با به‌کارگیری موانع منشوری با مقطع مثلث در دو حالت برخورد جریان به ضلع و رأس و موانع استوانه‌ای استفاده کرده و آزمایش‌ها را در دو آرایش موازی و زیگزاگ در فواصل مختلف در دو حالت موانع مستغرق و آزاد انجام دادند.
با توجه به این نکته که بیشتر تحقیقات انجام شده در خصوص امواج عمود بر جریان ناشی از موانع استوانه‌های در حالت آزاد بوده است و در شرایط مستغرق مطالعات بسیار اندک است.
بر این اساس، در این پژوهش به بررسی امواج عمود بر جریان در اثر برخورد با پایه‌های مکعب مستطیلی در حالت مستغرق و جریان آشفته پرداخته شده است و روش‌های جلوگیری از تشکیل امواج عمود بر جریان ناشی از موانع مکعبی در کانال‌های روباز و ارتباط بین متغیرهای مؤثر بررسی گردیده است.
نتیجه‌گیری
در تحقیق حاضر با استفاده از یک فلوم آزمایشگاهی به بررسی تأثیر آرایش‌های موازی و زیگزاگی موانع مستطیلی شکل بر مشخصات امواج عمود بر جریان در کانال‌های رو باز پرداخته شد.
بر اساس مشاهدات مربوط به حداکثر دامنه امواج عمود بر جریان در حالت وجود ورتکس و کاهش اثر ورتکس ناشی از موانع، نتایج زیر را می‌توان بیان کرد:
- دبی جریان عامل مهمی بر حداکثر دامنه امواج عمود بر جریان می‌باشد که بر اساس آن، با افزایش دبی جریان و در نتیجه آن افزایش سرعت و عدد رینولدز میزان حداکثر دامنه عمود بر جریان در حالت چیدمان زیگزاگی تا 29 درصد و در حالت موازی تا 23 درصد افزایش می‌یابد.
- با توجه به همپوشانی بیشتر ورتکس‌ها در حالت چیدمان موانع به حالت زیگزاگی در مقایسه با آرایش موازی، قرارگیری موانع در حالت زیگزاگی تا 127 درصد سبب افزایش حداکثر دامنه امواج عمود بر جریان می‌شود.
- قرارگیری صفحات بین موانع متوالی، عامل اساسی را در کاهش ورتکس ناشی از موانع و در نتیجه امواج عمود بر جریان ایفا می‌کند. وجود این صفحات، باعث شکست گردابه‌ها و منظم شدن خطوط جریان می‌شود.
- با افزایش فاصله بین موانع قرار گرفته در مسیر جریان، از میزان حداکثر امواج عمود بر جریان کاسته می‌شود. بر این اساس در حالت چیدمان زیگزاگی و در دبی 10 لیتر بر ثانیه حداکثر تا 44 درصد و در دبی 15 لیتر بر ثانیه تا 48 درصد کاهش دامنه مشاهده شد. در قرارگیری موانع با آرایش موازی، در دبی 10 لیتر بر ثانیه تا 45 درصد و در دبی 15 لیتر بر ثانیه تا 28 درصد کاهش دامنه گزارش شد.
برای مشاهده مطالب بیشتر به سایتwww.farzdon.ir مراجعه نمایید.