دانلود تحقیق ساختارهای هیدورلیک

ساختارهای هیدورلیک
ساختارهای هیدرولیک نقش بسیار مهم و جامعی در طراحی و تجزیه و تحلیل جریان کانال‌ها ( یامجراهای) باز ایفا می‌نمایند.

سدها و آب‌بندها بمنظور ذخیره آب در مخازن مورد استفاده قرار می‌گیرند و از پنجره‌ها( یا دروازه‌ها) برای تنظیم جریان در داخل ساختار استفاده می‌گردد، مجراهای سرپوشیده برای تخلیه آب زیر خاک‌ریزها و جاده مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

در این بخش ما موارد ذیل را مورد بررسی قرار خواهیم داد:
• سدهای دارای تاج کم‌عرض
• سدهای دارای تاج عریض
• مجراها( یا آبگذارهای) پارشال
در بحث ذیل ما تنها طراحی و عملکرد سدها را مورد بررسی قرار خواهیم داد سدها دارای طراحی ساده‌ای هستند اما در عین می‌توانند باعت از دست‌دادن( آب) در سطح فوقانی( دهانه) و نیز قادرند باعث ته‌نشینی در مجراهای صعودی گردند.

در مواردی که ته‌نشینی یا کف‌ روی دارای اهمیت ویژه‌ای است می‌توان از مجرا( یا آبگذر) پارشال استفاده نمود.

لطفاً جهت بررسی مجراهای پارشال( به متون) به متون درسی خود مراجعه نمائید.

ساختارهای رگلاتور( تنطیم میزان خروج)
• دروازه‌ها( یا پنجره‌ها)
• ساختارهای تخلیه
• مجراهای سرپوشیده
بندهای یا آب‌بند سدها و مجرا( های آبگذر)
آب‌بندها(wirs ) برای کنترل سطح (یا شیب) جریان خورجی و یا اندازه‌گیری جریان از مخزن( یا حوضچه) و کانال‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اصطلاحات و واژه‌هایی که مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

آب‌بندهای دارای تاج کم‌عرض( یا ورق صفحه کم ضخامت) ضخامت فلزی یا پلاستیکی که بصورت عمودی در عرض یک کانال قرار داده می‌شوند.

آب‌بندهای چهارگوش یا دارای شکاف-V شکل دو نوع از آب‌بندهای دارای تاج کم‌عرض که شاخص شکل هندسی آنها است.

دنباله آب(tail water)- جریان نزولی( خروجی) از آب‌بند
آب‌بند فرورفته(Submerged )- آب‌بندی که سطح دنباله آب حداقل به بلندی تاج باشد.

جریان خروجی(nappe)- فوران آب از فراز تاج
آب‌بند چهارگوش دارای تاج کم‌عرض: یک آب‌بند چهارگوش که دارای خروجی مستطیل شکل که ممکن است دارای حفاظ نگهدارنده (Suppressed ) باشد یا بدون ساپورت باشد.

آب‌بند دارای حفاظ( یامانع): دارای کانال خروجی چهاروجهی بوده و در آن برای حفظ فشار اتمسفر از یک منفذ تخلیه استفاده می‌شود.

آب‌بند بدون حفاظ( یا مانع): دارای خروجی چهار وجهی است که تنها بخشی از کانال( خروجی) را شامل می‌گردد.

برای تعیین الگوی( یا شبیه‌سازی) جریان- خروجی از طریق یک آب‌بند چهار وجهی معادله انرژی بین سطح فوقانی جریان خروجی از تاج آب‌بند و ( سطح) تاج آب‌بند به صورت زیر تعریف می‌گردد.

مفروضات: هیچگونه تلفات( انرژی) در دهانه وجود نداشته باشد( که در واقع بمعنای عدم وجود هرگونه اختلال می‌باشد.) شیب سطح آب ثابت بماند.

( یادآوری: این امر از نظر فیزیکی غیرممکن بوده، اما خطاهای واقعی ناچیز می‌باشد.) فشار در ناحیه تاج( ایستگاه 2)Pamto= در سراسر عمق آب‌بند دارای تاج کم عرض چهاروجهی( ادامه…) میزان جریان تئوریک را با ثابت نگه‌داشتن جرم تخمین بزنید.

هنگامی که سرعت با معادله‌های انرژی تعیین می‌گردد.

با جایگزینی( یا جایگذاری در معادله) درمی‌یابیم که میزان جریان تنها تابعی از شکل هندسی و شیب سطح آب در بالای آب‌بند می‌باشد.

اختلافات بدست آمده در میزان جریان تخمینی ناشی از موارد ذیل می‌باشد: توزیع فشار در ناحیه تاج بصورت یکنواخت آتمسفریک نمی‌باشد.

سطح آب بتدریج که به تاج نزدیک می‌شود دارای ثبات نمی‌باشد( یا ثابت نیست) تلفات انرژی ناشی از اثرات وسیکوزه( با چگال) بودن قابل چشم‌پوشی نیستند.

بمنظور جبران این اختلاف‌ها، ضریبی به نام ضریب تخلیه تعریف می‌گردد.

میزان جریان واقعی = میزان جریان تئوریک میزان جریان واقعی با استفاده از: Q تخمین زده می‌شود( یا بدست می‌آید) که در آن: و We عدد وبر و Hw ارتفاع تاج آب‌بند از پایین‌ترین نقطه می‌باشد.

تخمین تجربی ضریب تخلیه اولین بار توسط (Rouse ) در 1946 انجام گردید.

برای تغییرات ضریب تخلیه را ضریب آب‌بند (weir coefficent) می‌نامند که به منظور سهولت در معادله میزان جریان و به صورت ذیل تعریف می‌گردد: در این صورت معادله میزان جریان به صورت ذیل در خواهد آمد: و در صورت و توجه داشته باشید که معمولاً توصیه می‌گردد که H در فاصله 4~5H جریان خروجی دروازه ( یا درب تخلیه) اندازه‌گیری شود.

آب‌بندهای چهاروجهی بدون حفاظ آب‌بندهای بدون حفاظ دقیقاً مانند آب‌بندهای دارای حفاظ عمل می‌نمایند که البته 2 فرض ذیل مفروض می‌باشد: نیازی به منفذ تخلیه(vent) نمی‌باشد.

انقباض‌های جانبی عرض جریان را کاهش می‌دهند.

که آب‌بندهای ذوزنقه‌ای شکل بدون حفاظ و دارای تاج کم‌عرض برای این ساختار انقباض‌های جانبی عرض جریان( شارش) را کاهش نمی‌دهد.

مثال: آب‌بندی دارای انتهای جمع شوند( یا انقباضی) دارای طولft 286 وارتفاع تاج ft 5 برای تخلیه آب بصورتی که ارتفاع دهانه از مخزنی با عرض ft 300 بیش از ft 5 نباشد استفاده می‌گردد.

فاصله ستونهای حاصل آب‌بند ft 10 بوده و عرض آنها ft 2 می‌باشد.

مقدار تخلیه (discharge) را بدست آورید.

راه‌حل: آب‌بندهای دارای فرورفتگی v شکل این آب‌بندها معمولاً در فضاهایی که میزان جریان پائین باشد استفاده میگردند زیرا دقیق‌تر می‌باشند.

معادله انرژی آب‌بند را بخاطر بیاورید.

و میزان جریان تئوریک که باترکیب مواد فوق خواهیم داشت: از آنجا که آب‌بندهای V شکل در فضاهای دارای جریان کم مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان از سرعت برخورد چشم‌پوشی نمود.

بنابراین میزان واقعی جریان برای آب‌بندهای V شکل بصورت: خواهد بود که مثال: آب از بالای یک آب‌بند چهار وجهی دارای ft10 با عمقft 1 عبور می‌کند اگر آب‌بند با یک آب‌بند 80v شکل تعویض گردد عمق آب برفراز فرورفتگی( v شکل) را محاسبه کنید.

( جمع‌شدگی یا انقباض انتهایی) =0.63( چهاروجهی) Reclangular =0.59 , Cd( یا فرورفتگی)(notch) راه‌حل: آب‌بندهای دارای تاج عریض عرض تاج در این آب‌بندها معمولاً سیار عریض‌تر و بزرگتر از آب‌بندهای دارای تاج کم‌عرض می‌باشد و بنابراین قادرند تخلیه‌های بسیار بزرگتر( یا بیشتر) را انجام دهند.

خط سطح انرژی ( برش مقطع طولی) اب‌بندهای چهار وجهی دارای تاج عریض بگونه‌ای طراحی شده‌‌اند که جریان بالای آب‌بند دارای شرایط جریان بحرانی(Critical )باشد میزان جریان تئوریک بصورت ذیل داده شده است.

معادله انرژی یک آب بند RBC : تحت شرایط جریان بحرانی: با ترکیب حاصل عبارات فوق برای عمق جریان بحرانی که در آن H انرژی جریان عبوری می‌باشد که نسبت به موقعیت آب‌بند محاسبه گردیده است.

میزان جریان تئوریک برفراز آب بند RBC بصورت ذیل خواهد بود.

برای اینکه تلفات انرژی غیرقابل چشم‌پوشی نیز در محاسبات درنظر گرفته شود میزان جریان واقعی Q از رابطه: بدست خواهد آمد.

که ضریب تخلیه از رابطه ذیل بدست خواهد آمد: (chow-1959 ) این معادلات در شرایط صادق خواهند بود.

توجه داشته باشید که برای تلفات انرژی از دهانه قابل چشم‌پوشی است و در این مورد جریان بصورت افقی شارش نخواهد داشت.

آب‌بند دارای تخلیه آزاد خواهد بود اگر: مثال: میزان تخلیه برفراز یک آب‌بند دارای تاج – عریض بطول ft 100 را محاسبه کنید.

سطح جریان آب بر فراز تاج ft 92 ارتفاع تاج ft 2.25 می‌باشد.

عرض کانال انتقال آب 150ft است.

( گیت‌ها) یا دروازه‌ها( یا رگلاتورهای جریان خروجی) از گیت‌ها یا دروازه‌ها برای تنظیم جریان درکانالهای باز( یا روباز) استفاده می‌شود.

گیت‌های عمودی – صفحات عمودی هستند که توسط شاخص‌های ( یا پایه‌های) عمودی که برروی دیوارهای کانال تعبیه شده ساپورت می‌شوند( یا نگه داشته می‌شوند).

گیت‌های دایره‌ای معمولاً در برابر نیروهای هیدروستاتیک مقاومت بالایی دارند و معمولاً از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می‌باشند.

همانند آب‌بندها، گیت‌ها نیز معادله انرژی جریان صعودی یا نزولی گیت را تعریف می‌کنند.

و بقای جرم در همان نقاط نیز توسط آنها انجام می‌گیرد.

باترکیب این میزان جریانها داریم: می‌دانیم که عمق آب در محل گیت است اما مقدار را نمی‌دانیم.

بتدریج( یا همانطور که ) جریان از زیر گیت عبور می‌کند جریان منقبض می‌گردد.

ضریب انقباض ضریبی است که به انقباض جریان خروجی از زیر گیت مربوط می‌گردد.

که: گیت عمودی: گیت دایره‌ای: با توجه به اینکه احتمالاً تلفات انرژی با عبور جریان از گیت خواهیم داشت ضریب تخلیه به صورت ذیل تعریف می‌گردد.

با ترکیب موارد فوق‌الذکر میزان جریان به صورت خواهد بود.

تخلیه فوق بحرانی (Super critical) از گیت‌ها در مواردی که تخلیه از گیت‌ها فوق بحرانی است و عمق جریان خروجی نزولی، از عمق دهانه گیت بیشتر باشد، در این صورت جریان خروجی به صورت (Submerged) یا در زیر آب ادامه خواهد یافت در این حالت معادلات قبلی دیگر صادق نخواهد بود.

برای مشخص نمودن جریان(Submerged) یا زیر آبی از طریق گیت انرژی بین 1و2 را تعریف کنید.

مقدار نیروی ایجاد شده (momentom) بین 2و3 را تعریف کنید.

بصورتی که: y باشد.

Y1 باشد.

Y2 باشد.

Y3 باشد.

1و2 را به ترتیب برای محاسبه Q حل کنید.

مثال : جریان آب به پشت دروازه( یا گتی) بگونه‌ای برخورد می‌کند که ارتفاع آب در یک کانال چهاروجهی به عرض m 7 ، و به m 4 می‌رسد.

دهانه گیت را طوری محاسبه کنید که آب با سرعت از گیت عبور نماید.

تعیین کنید تأثیر یک جریان خروجی نزولی با عمق 3.5m بر این تخلیه چه خواهد بود؟

در صورتیکه عمق جریان خروجی صعودی 3.5m باشد چه اتفاقی خواهد افتاد.