%34تخفیف

بررسی آزمايشگاهی جريان غليظ برروی بسترهای زبر

تعداد 161صفحه در فایل word

گروه مهندسي آب

دکتری در رشته سازه­هاي آبي

 

بررسی آزمايشگاهی جريان غليظ برروی بسترهای زبر

رسوبگذاری مخازن یکی از مشکلات مهم در مدیریت منابع آب در دهه­های آینده می­باشد. استفاده پایدار از مخازن در امر مدیریت منابع آب مستلزم کنترل رسوبگذاری مخزن و حتی تخلیه رسوب مخزن می­باشد. جریان­های غلیظ معمولا مهمترین فرآیند در انتقال رسوب و رسوبگذاری مخازن نازک و مرتفع می­باشند. در تحقیق حاضر با انجام 162 آزمایش به بررسی آزمایشگاهی رفتار جریان غلیظ نمکی و جریان غلیظ رسوبی بر روی بستر زبر مصنوعی و همچنین بررسی نوسانات لحظه­ای سرعت در جریان غلیظ نمکی و واکنش این جریان به بستر با تغییر ناگهانی زبری پرداخته شد. به منظور بررسی تاثیر زبری بر روی بدنه جریان غلیظ دو شکل زبری استوانه­ای و مخروطی با سه ارتفاع مورد بررسی قرارگرفتند. پروفیل­های قائم سرعت و غلظت در مقاطع مختلف جریان برداشت شدند. نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع زبری مقدار سرعت کاهش یافته و ضخامت بدنه جریان غلیظ افزایش می­یابد و همچنین مقدار ضریب اختلاط برای یک عدد ریچاردسون ثابت زیاد می­گردد. همچنین با بررسی پروفیل غلظت مشخص گردید که معادله رویز پروفیل غلظت را در ناحیه جدار با دقت بیشتری از ناحیه جت تخمین می­زند. در برخی از آزمایشات یک پدیده خاص مشاهده گردید که پروفیل­های سرعت را تحت تاثیر قرار داد. این پدیده “برخاستگی” نامگذاری گردید. پدیده برخاستگی در جریان غلیظ نمکی در زبری­های استوانه­ای و مخروطی زمانی مشاهده گردید که در آنها عامل انسداد به ترتیب بیشتر از 10% و 14% باشد، در حالیکه این رفتار در جریان غلیظ رسوبی علاوه بر عدد فرود به زبری نسبی نیز وابسته است. واکنش هیدرولیکی جریان غلیظ بر روی بستر با تغییر زبری ناگهانی بدلیل تاثیر شناوری جریان مشابه جریان کانال­های روباز نمی­باشد. به منظور بررسی این رفتار با برداشت پروفیل سرعت و غلظت در مقاطع مختلف بدنه جریان، زبری موثر بستر، تنش برشی کف و ضریب نیروی کششی تعیین شد. نتایج نشان داد که شناوری تاثیر زیادی بر روی زبری موثر و تنش برشی کف دارد بطوریکه با تغییر ناگهانی زبری بستر، زبری موثر و تنش برشی کف بصورت تدریجی تغییر می کند، بویژه در آزمایش هایی که پدیده برخاستگی مشاهده گردید. استفاده از قانون لگاریتمی سرعت در ناحیه جدار نشان داد که حداکثر فاصله­ای از کف که این قانون در آن بیشترین دقت را دارا می­باشد برای جریان غلیظ نمکی و رسوبی به ترتیب 90% و 75% فاصله سرعت حداکثر از کف است. نوسانات لحظه­ای سرعت نقش مهمی در انتقال مواد رسوبی معلق دارا می­باشد. به منظور بررسی تاثیر زبری مصنوعی بر روی این نوسانات در جریان غلیظ نمکی، پروفیل سرعت با فرکانس برداشت اطلاعات 035/0 ثانیه برداشت گردید. نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع زبری نسبی تاثیر چندانی بر روی نوسانات لحظه­ای سرعت در ناحیه اختلاط بدنه جریان غلیظ ندارد و همچنین تحلیل نوسانات لحظه­ای سرعت بر روی بسترهای زبر در ناحیه اختلاط نشان داد که شدت تلاطم در جهت جریان در مرز بین بدنه جریان غلیظ و سیال پیرامون برای زبری­های استوانه­ای و مخروطی بترتیب حدود 48 و 32 درصد سرعت برشی می­باشد.


واژه­های کلیدی:
 پدیده برخاستگی، پروفیل سرعت، پروفیل غلظت، تنش برشی بستر، جریان غلیظ رسوبی، جریان غلیظ نمکی، زبری مصنوعی، ضریب نیروی کششی، نوسانات سرعت لحظه­ای

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                           صفحه

فصل اول: مقدمه

2

    1-1- مقدمه

2

        1-2- ضرورت انجام تحقیق

9

        1-2- روش­های کنترل رسوبگذاری در مخازن سدها

13

فصل دوم: تئوری تحقیق و مروری بر تحقیقات پیشین

16

    2-1- تئوری تحقیق

16

        2-1-1- معادلات هيدروديناميک جريان­های غلیظ

19

            2-1-1-1- معادله پیوستگی

19

            2-1-1-2- معادله اندازه حرکت

20

            2-1-1-3- معادله پیوستگی فاز جامد

20

            2-1-1-4- معادله بقای انرژی جنبشی

21

            2-1-1-5- درون آميختگي و نحوه محاسبه آن

22

            2-1-1-6- توزيع سرعت و غلظت

23

            2-1-1-7- توزيع سرعت

24

            2-1-1-8-توزيع غلظت

24

        2-1-2- ضریب کشش سطحی

25

    2-2- پیشینه تحقیق

26

        2-2-1- تحلیل نقطه غوطه­وری

27

        2-2-2- تحلیل پیشانی و بدنه جریان غلیظ

28

        2-2-3- تاثیر شیب برروی جریان غلیظ

30

        2-2-4- تاثیر توپوگرافی برروی جریان غلیظ

31

        2-2-5- تاثیر تغییر مقطع عبوری برروی جریان غلیظ

32

        2-2-6- جریان غلیظ عبوری از روی بستر متحرک

32

        2-2-7- تاثیر جریان غلیظ برروی رسوبگذاری و فرسایش

33

        2-2-8- پرش هیدرولیکی در جریان غلیظ

33

        2-2-9- کنترل جریان غلیظ

34

        2-2-10-  نمونه­هایی از مطالعات متفرقه

35

فصل سوم: مواد و روش­ها

38

    3-1- مقدمه

38

    3-2- مواد مصرفی

38

        3-2-1- رسوب

38

        3-2-2- نمک

39

        3-2-3- مواد رنگی

40

    3-3- تجهیزات آزمایشگاهی

40

        3-3-1- سیستم تامین آب

41

        3-3-2- سیستم شبیه­سازی جریان غلیظ

42

            3-3-2-1- سیستم اختلاط

43

            3-3-2-2- سیستم تغذیه

43

            3-3-2-3- فلوم جریان غلیظ

45

            3-3-2-4- سیستم تخلیه

45

        3-3-3- مدل زبری­ها

46

        3-3-4- تجهیزات نمونه­برداری

47

        3-3-5- تجهیزات اندازه­گیری

49

            3-3-5-1- سرعت سنج (DOP2000)

49

            3-3-5-2- MasterSizer

53

            3-3-5-3- دبی سنج

54

            3-3-5-4- EC متر

54

            3-3-5-5- هیدرومتر

55

            3-3-5-6- ترازو

56

            3-3-5-7- دماسنج

56

            3-3-5-8- اشل

57

    3-4-آزمایش­ها

57

        3-4-1- آزمایش­های اولیه

57

        3-4-2- انتخاب متغیرها

57

        3-4-3- آزمایش­های مقدماتی

58

        3-4-4- آزمایش­های اصلی

59

            3-4-4-1- آماده­سازی بستر

59

            3-4-4-2- روش انجام آزمایش­ها

61

        3-4-5- خلاصه آزمایش­های انجام شده

63

    3-5- آنالیز ابعادی

68

        3-5-1- تحلیل ابعادی سرعت جریان غلیظ

69

        3-5-2- تحلیل ابعادی ارتفاع جریان غلیظ

70

        3-5-3- تحلیل ابعادی غلظت جریان غلیظ

70

    3-6- انجام محاسبات برروی نتایج

70

فصل چهارم: نتایج و بحث

73

    4-1- مقدمه

73

    4-2- غلظت

74

        4-2-1- پروفیل­های طولی غلظت

74

        4-2-2- تاثیر زبری برروی پروفیل­های غلظت

78

        4-2-3- مقایسه نتایج پروفیل غلظت با رابطه رویز

80

        4-2-4- بررسی ناحیه جت پروفیل غلظت جریان غلیظ رسوبی

84

        4-2-5- تاثیر مومنتوم جریان برروی غلظت

85

    4-3- سرعت

87

        4-3-1- ضرایب پروفیل سرعت

87

        4-3-2- بررسی طولی پروفیل سرعت

89

        4-3-3- بررسی پروفیل­های سرعت برروی بستر زبر

92

        4-3-4- تاثیر مومنتوم جریان برروی شکل پروفیل سرعت

95

    4-4- ضخامت جریان

96

    4-5- تاثیر زبری برروی پایداری لایه­بندی جریان

97

    4-6- ضریب اختلاط

100

        4-6-1- تاثیر زبری برروی ضریب اختلاط

100

        4-6-2- مقایسه نتایج ضریب اختلاط با محققین دیگر

101

        4-6-3- ارائه رابطه برای ضریب اختلاط

103

    4-7- پدیده برخاستگی

105

        4-7-1- برخاستگی در جریان غلیظ نمکی

105

        4-7-2- برخاستگی در جریان غلیظ رسوبی

107

        4-7-3- روابط حاکم بر پدیده برخاستگی

109

    4-8- روابط حاکم بر سرعت بدنه

111

    4-9-تحلیل سرعت لحظه­ای

115

        4-9-1- پروفیل بدون بعد شدت تلاطم

115

        4-9-2- پروفیل بدون بعد تنش نرمال

117

        4-9-3- نوسانات سرعت لحظه­ای

120

    4-10- بستر با تغییر ناگهانی زبری

121

        4-10-1- پروفیل سرعت

122

        4-10-2- پروفیل غلظت

123

        4-10-3- تنش برشی کف و زبری موثر

124

        4-10-4- ضریب نیروی کشش سطحی

129

    4-11- نتیجه­گیری کلی

131

    4-12- پیشنهادات

133

فهرست منابع

134

فهرست علائم و نشانه­ها

141

 

فهرست جدول­ها

جدول 3-1- مشخصات فني دبی سنج Magab3000

54

جدول 3-2- مشخصات هیدرومتر مدل Mettler Toledo (30PX)

55

جدول 3-3- مشخصات آزمایش­های جریان غلیظ رسوبی

64

جدول 3-4- مشخصات آزمایش­های جریان غلیظ نمکی

65

جدول 4-1- پارامترهای مورد استفاده در نتایج و بحث

73

جدول4-2- ضرایب رابطه 2-32

85

جدول 4-3- مقادیر ضرایب روابط سرعت برای جریان غلیظ نمکی

88

جدول 4-4- مقادیر ضرایب روابط سرعت را برای جریان غلیظ رسوبی

89

جدول 4-5- مقادیر ضرایب رابطه 4-2

103

جدول 4-6- مقادیر نسبت ضریب ورود سیال پیرامون در بستر زبر به بستر صاف

103

جدول 4-7- روابط حاکم بر EW در تحقیق حاضر

104

جدول 4-8- روابط حاکم بر پدیده برخاستگی

110

جدول 4-9- روابط حاکم بر سرعت متوسط بدنه

113

جدول 4-10- مقادیر درصد کاهش سرعت متوسط بدنه جریان بستر زبر نسبت به بستر صاف

114

جدول 4-11- مقادیر ضرایب روابط سرعت (بستر با تغییر ناگهانی زبری)

122

 

فهرست شکل­ها

شکل1-1- شکل شماتیک جریان غلیظ

3

شكل1-2- جريان گل آلود الف) جريان گل آلود مياني ب) جريان گل آلود زيرين

5

شکل1-3- جريانهاي چگالي در شهرهاي صنعتي ساحلي

6

شکل1-4- الف) جريان ثقلي بهمن ب) جريان ثقلي در اثر فعاليتهاي آتشفشاني

6

شکل1-5- ناپايداري کلوين هلم هلتز در سطح مشترک دو سيال با چگالي­هاي متفاوت

8

شکل1-6- ناپايداري کلوين هلم هلتز در سطح مشترک دو سيال با چگالي­ها و سرعت­هاي متفاوت

8

شکل1-7- شکل شماتیک نقطه غوطه­وری

12

شکل1-8- یک نمونه از موقعیت نقطه­ غوطه­وری در مخزن سد دز

12

شکل1-9- طبقه بندی روشهای کنترل رسوب در مخازن (اوهی، 2003)

13

شکل2-1- حدود پایداری جریان لایه­ای با توجه به عدد موج بی­ بعد (ترنر، 1973)

17

شکل2-2- پروفیل سرعت و غلظت الف)پروفیل بدون بعد ب)پروفیل با بعد

23

شکل3-1- مواد رسوبی دپو شده (میکروسیلیس)

38

شکل3-2- منحنی دانه­بندی رسوبات

39

شکل3-3- یک نمونه از رسوبات

39

شکل3-4- نمک دپو شده

39

شکل3-5- یک نمونه نمک مورد استفاده

40

شکل3-6- یک نمونه ماده رنگی مورد استفاده

40

شکل3-7- نمای کلی از آزمایشگاه مدل­های فیزیکی و هیدرولیکی

41

شکل3-8- استخر تامین آب و سه پمپ مستغرق

41

شکل3-9- هدتانک آزمایشگاه

41

شکل3-10- سیستم لوله کشی تامین آب

42

شکل3-11- شمای کلی سیستم مورد استفاده

42

شکل3-12- شمای گرافیکی سیستم مورد استفاده

42

شکل3-13- شمای گرافیکی سیستم اختلاط

43

شکل3-14- شمای گرافیکی سیستم تغذیه سیال پیرامون

44

شکل3-15- شمای گرافیکی سیستم تغذیه سیال غلیظ

44

شکل3-16- شمای گرافیکی کانال آزمایشگاهی

45

شکل3-17- شمای گرافیکی سیستم تخلیه

46

شکل3-18- الف) زبری­های مخروطی ب) زبری­های استوانه­ای ( ابعاد به میلیمتر)

47

شکل3-19- الف) سیفون نمونه­گیری ب) سیفون در بدنه جریان غلیظ نمکی در حال نمونه­برداری

48

شکل3-20- سرنگ­های نمونه­گیری چهار سری سیفون بیرون از کانال آزمایشگاهی

48

شکل3-21- نحوه نصب سیفون در مرکز عرضی کانال آزمایشگاهی

48

شکل3-22- ظرف­های نمونه­برداری الف)جریان غلیظ رسوبی ب)جریان غلیظ نمکی

49

شکل3-23- سرعت سنج DOP2000

49

شکل3-24- نمايش پارامترهاي موثر در تغيير فركانس (قانون داپلر)

51

شکل 3-25- نمايش اندازه‌گيري سرعت و عمق در راستاي بيم مافوق صوت

52

شکل 3-26- الف) سیستم نصب پروب DOP2000 ب) پروب نصب شده

53

شکل 3-27- دستگاه MasterSizer

53

شکل 3-28- دبی سنج Magab3000

54

شکل 3-29- EC متر HACH

55

شکل 3-30- دستگاه هیدرومتر

55

شکل 3-31- ترازوهای مورد استفاده

56

شکل 3-32- دماسنج­های مورد استفاده

56

شکل 3-33- نمودارهای واسنجی شده

59

شکل 3-34- بستر صاف

59

شکل 3-35- طرح شماتیک مقاطع اندازه­گیری بستر صاف و زبر (فواصل به سانتیمتر)

60

شکل 3-36- بستر زبر برای زبری­های مخروطی 25 میلیمتر

60

شکل 3-37- طرح شماتیک مقاطع اندازه­گیری بستر با تغییر ناگهانی زبری (فواصل به سانتیمتر)

61

شکل 3-38- جزئیات بستر در محل تغییر ناگهانی زبری

61

شکل 3-39- پیشانی و بدنه جریان غلیظ رسوبی

66

شکل 3-40- پیشانی و بدنه جریان غلیظ نمکی

67

شکل4-1- یک نمونه پروفیل غلظت برای بستر صاف

74

شکل4-2- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ رسوبی برای بستر زبر به ارتفاع 10 میلیمتر

75

شکل4-3- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ رسوبی برای بستر زبر به ارتفاع 25 میلیمتر

76

شکل4-4- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ رسوبی برای بستر زبر به ارتفاع 40 میلیمتر

76

شکل4-5- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ نمکی برای بستر زبر به ارتفاع 10 میلیمتر

77

شکل4-6- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ نمکی برای بستر زبر به ارتفاع 25 میلیمتر

77

شکل4-7- یک نمونه پروفیل غلظت جریان غلیظ نمکی برای بستر زبر به ارتفاع 40 میلیمتر

78

شکل4-8- تغییرات پروفیل غلظت بدون بعد در جریان غلیظ رسوبی

79

شکل4-9- تغییرات پروفیل غلظت بدون بعد در جریان غلیظ نمکی

80

شکل4-10- نتایج پروفیل غلظت جریان رسوبی به روش رویز و اطلاعات آزمایشگاهی برای بستر صاف

81

شکل4-11- نتایج پروفیل غلظت جریان رسوبی به روش رویز و اطلاعات آزمایشگاهی برای بستر زبر به ارتفاع 10 میلیمتر

82

شکل4-12- نتایج پروفیل غلظت جریان رسوبی به روش رویز و اطلاعات آزمایشگاهی برای بستر زبر به ارتفاع 25 میلیمتر

83

شکل4-13- نتایج پروفیل غلظت جریان رسوبی به روش رویز و اطلاعات آزمایشگاهی برای بستر زبر به ارتفاع 40 میلیمتر

83

شکل4-14- پارامترهای بدون بعد رابطه 2-32 برای جریان غلیظ رسوبی برروی بستر صاف و زبر مخروطی

84

شکل4-15- پارامتر بدون بعد hc در مقابل عدد فرود دنسیمتریک برای جریان غلیظ نمکی

86

شکل4-16- پارامتر بدون بعد hc در مقابل عدد فرود دنسیمتریک برای جریان غلیظ رسوبی

87

شکل4-17- پروفیل سرعت بدون بعد شده برای سه آزمایش نمکی

88

شکل4-18- پروفیل سرعت بدون بعد شده جریان غلیظ نمکی برای زبری استوانه­ای

90

شکل4-19- پروفیل سرعت بدون بعد شده جریان غلیظ رسوبی برای زبری مخروطی

92

شکل4-20- پروفیل سرعت بدون بعد شده جریان غلیظ نمکی

93

شکل4-21- پروفیل سرعت بدون بعد شده جریان غلیظ رسوبی

94

شکل4-22- hm بدون بعد در مقابل عدد فرود دنسیمتریک در جریان غلیظ نمکی

95

شکل4-23- hm بدون بعد در مقابل عدد فرود دنسیمتریک در جریان غلیظ رسوبی

96

شکل4-24- تغییرات ضخامت بدنه جریان در طول جریان (S=1.25%)

96

شکل4-25- تغییرات ضخامت بدنه جریان در طول جریان برای تمامی آزمایش­ها

97

شکل4-26- تغییرات عدد ریچاردسون در مقابل عدد فرود دنسیمتریک

98

شکل4-27- تاثیر زبری برروی عدد ریچاردسون در ناحیه جدار (جریان غلیظ نمکی- زبری استوانه­ای)

99

شکل4-28- تغییرات ضریب اختلاط در مقابل عدد ریچاردسون برای جریان غلیظ نمکی

100

شکل4-29- تغییرات ضریب اختلاط در مقابل عدد ریچاردسون برای جریان غلیظ رسوبی

101

شکل4-30- مقایسه نتایج ضریب اختلاط با روابط محققین دیگر

102

شکل 4-31- تغییرات عامل انسداد در مقابل پارامترهای موثر بر برخاستگی در جریان غلیظ نمکی

106

شکل 4-32- تغییرات عامل انسداد در مقابل شناوری برای جریان غلیظ رسوبی

107

شکل 4-33- تغییرات عامل انسداد در مقابل سرعت متوسط برای جریان غلیظ رسوبی

108

شکل 4-34- تغییرات عامل انسداد در مقابل عدد فرود دنسیمتریک برای جریان غلیظ رسوبی

108

شکل 4-35- تغییرات سطح مقطع در مقابل ارتفاع زبری

109

شکل4-36- مقادیر بدون بعد u’ برای شیب 2 درصد

117

شکل4-37- مقادیر پروفیل بدون بعد تنش نرمال برای شیب­های 5/0، 25/1 و 2 درصد

119

شکل4-38- مقادیر پروفیل بدون بعد تنش تنش نرمال برای بستر با زبری استوانه­ای به ارتفاع 40 میلیمتر

120

شکل4-39- مقادیر متوسط گیری شده عمقی نوسانات سرعت در محدوده دیواره و اختلاط برای زبری­های مخروطی

121

شکل 4-40- تغییرات طولی دو نمونه از پروفیل­های سرعت

123

شکل 4-41- تغییرات طولی دو نمونه از پروفیل­های غلظت

124

شکل4-42- نتایج رابطه 6 برای دو نمونه از آزمایش ها (جریان غلیظ رسوبی برروی زبری استوانه­ای)

125

شکل4-43- تغییرات تنش برشی و زبری موثر برای جریان غلیظ نمکی

127

شکل4-44- تغییرات تنش برشی و زبری موثر برای جریان غلیظ رسوبی

128

شکل4-45- مقادیر محاسباتی ضریب نیروی کشش سطحی

130

 

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo