از آبشار آزاد تا سازه های ایجاد کننده عمق بحرانی

به طور کلی هر سازه طبیعی یا ساخته شده توسط بشر که در مسیر جریان قرار گیرد و روابط دبی و عمق جریان را در اطراف خود تثبیت نماید، یک سازه کنترل کننده جریان نامیده می شود. سازه های مختلف با توجه به شرایط فیزیکی خاص، روابط متفاوتی را بین دبی و عمق جریان ایجاد کرده بنابراین هر کدام برای اهداف معینی مورد استفاده قرار می گیرند. حال به توجه به موارد یاد شده، سرریزها و تبدیل ها نیز از جمله سازه های کنترل کننده جریان هستند که با توجه به اهمیت ویژه آن ها و ضرورت بسط مطالب مربوطه در این مقاله قصد داریم که به طور اختصاصی به دو دسته از این نوع سازه ها ( آبشار آزاد و سازه های ایجاد کننده عمق بحرانی ) و روابط هیدرولیکی به وجود آمده به وسیله آن ها و همچنین کاربرد آن ها بپردازیم.

1-آبشار آزاد ( The Free Overfall )

یک آبشار آزاد عبارت است از سیستمی که در آن کف کانال به صورت موضعی فروافتاده، جریان با جداشدن از کف کانال به صورت یک جت آزاد به قسمت پایین فرورفتگی پرتاب می شود. همان طور که در شکل زیر نمایان است. چنین شرایطی مشابه حالت عبور جریان از روی سرریز لبه تیز با ارتفاع صفر می باشد ( w=0 ). تاسیسات مربوط علاوه بر آن که باعث ایجاد یک جریان متغیر تدریجی ( GVF ) در حالت جریان زیر بحرانی می گردد، می تواند به نوان یک وسیله اندازه گیری دبی در جریان های با حالات مختلف نیز مورد استفاده قرار گیرد. همان گونه که در شکل مشاهده می شود، در سطح زیرین و زبرین جت، فشار اتمسفر (فشار نسبی صفر) حاکم بوده و بنابریان توزیع فشار در محدوده لبه خروجی که ظاهرا می باسیت به صورت هیدرواستاتیکی باشد، تحت تاثیر مولفه قائم شتاب (اثر شتاب ثقل) در نزدیکی های لبه، به صورت تقریبی نشان داده شده در شکل می باشد. در قسمت های بالادست لبه، انحناء سطح آب به تدریج کمتر شده به گونه ای که در فاصله کاملا کوتاهی در بالادست لبه نظیر مقطع A شتاب قائم کوچک و پخش فشار هیدرواستاتیکی می شود. از مقطع 1 به سمت لبه آبشار، عمق جریان کاهش یافته و به یک مقدار حداقلی معادل Yb در کناره لبه می رسد که به عمق انتهایی یا عمق لبه مشهور است.

در حالت جریان زیربحرانی، چنان چه بایستی نهایتا حالت جریان فوق بحرانی گردد، لازم است تا در مقطعی مثل A که اولین مقطع است که در آن پخش فشار به صورت هیدرواستاتیکی صورت می پذیرد، حالت جریان بحرانی گردد بنابراین Ya=Yc و در صورت جریان فوق بحرانی Ya مساوی عمق نرمال کانال در بالادست آبشار خواهد بود یعنی Ya=Yo. مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که مقطع بحرانی در فاصله 3 تا 6 برابر عمق بحرانی از لبه آبشار اتفاق می افتد. برای مواقعی که So/Sc>0.8 است، موقعیت Yc نامعلوم می باشد. از مجموعه آزمایشات و کارهای انجام گرفته توسط محققین می توان نتیجه گرفت که عمق جریان در لبه آبشار می تواند از رابطه Yb=0.715Yc بدست آید که در اندازه گیری دبی حداکثر حدود 1 تا 2 درصد خطا خواهد داشت. علاوه بر این محققین دریافتند که در جریان های فوق بحرانی، نسبت عمق انتهایی به عمق نرمال می تواند به صورت زیر نشان داده شود.

2- سازه های ایجاد کننده عمق بحرانی

روابط تثبیت شده بین عمق بحرانی و دبی امکان می دهد تا از عمق بحرانی به عنوان یک عامل مناسب جهت اندازه گیری دبی استفاده کرد. برای استفاده از این اصل لازم است تا سیستم هایی ساخته شود تا بتواند در مقطعی مشخص، مرسوم به مقطع کنترل، عمق جریان را بحرانی نموده و سپس با اندازه گیری عمق بحرانی در آن مقطع و استفاده از معادله دبی-عمق بحرانی، میزان شدت جریان را به دست آورد. قبل از شروع این بحث لازم است که به یک اصل کلی اشاره شود. چنان چه شیب کف کانال از ملایم به تند تغییر یابد، در محل تغییر شیب عمق بحرانی به وجود می آید مشروط بر آن که پخش فشار به صورت هیدرواستاتیکی باشد. این امر هنگامی واقع خواهد شد که اگر چه شیب پایین دست تند است اما بیش از اندازه تند نباشد ( تا حد 0.01 ). در این حالت جریان در فاصله زیادی از بالادست در ناحیه M2 و در فاصله زیادی در پایین دست در ناحیه S2 خواهد بود و عمق جریان در مقطع B، همان طور که در شکل زیر مشخص است، یقینا بحرانی می باشد.

اما در عمل عموما داشتن شیب تند طولانی مسیر نبوده بنابراین برای ایجاد عمق بحرانی و اندازه گیری دبی بایستی تاسیساتی ساخت تا بتواند در فاصله نسبتا کوتاه و محدودی عمق بحرانی را به وجود آورد. از طرفی می دانیم که در اثر ایحاد برآمدگی در کف کانال و یا تنگ نمودن عرض آن در ابعاد مشخص می توان جریان را به بحرانی تبدیل نمود، از جمله سیستم هایی که بدین منظور به کار می رود، سرریز لبه پهن است. چنان چه سرریزی دارای تاج پهن به اندازه کافی باشد به گونه ای که منحنی پخش آب در طول آن ( موازی عرض کانال ) هیدرواستاتیکی باشد، قطعا جریان بحرانی در بالای سرریز ایجاد خواهد شد. نصب سرریز جهت ایجاد چنین حالتی حداقل دو عیب دارد: یکی آن که استفاده از سرریز افت انرژی نسبتا زیادی را باعث می شود، دیگر آن که اغلب سرریز ها باعث ایجاد منطقه ای دارای آب نسبتا ساکن و مرده در بالادست می شوند که می تواند محل ته نشین شدن رسوبات و دیگر مواد زائد موجود در آب گردد. اما چنان چه بتوان عرض کانال و مسیر را به گونه ای تنگ نمود که همان جریان بحرانی ایجاد شود، این دو عیب ذکر شده از بین رفته و مقصود حاصل شده است. این گونه تاسیسات که به ناودان یا فلوم ( Flume ) مشهورند می بایستی طوری طراحی شوند که در طول خود دارای یگ گلوگاه جهت ظاهر شدن جریان بحرانی و یک قسمت کوتاه بع از آن به منظور ایجاد جریان فوق بحرانی باشند. برای این امر نخست از ناودان های ونتوری ( Venturi Flume ) استفاده گردید که به جهت اختلاف کم بین مقطع بحرانی و مقطع بالادست به خصوص در اعداد فرود پایین، کاربرد وسیعی پیدا ننمود. ناودان هایی که پس از آن مورد استفاده قرار گرفتند، به گونه ای هستند که در انتهای جریان فوق بحرانی، یک پرش هیدرولیکی به وجود می آید که بدین علت آن ها را ناودان های با موج ایستاده می نامند.

ناودان با موج ایستاده ( Standing-wave Flume ): ناودان ایجاد کننده عمق بحرانی در شکل زیر نمایش داده شده است، ناودان با موج ایستاده یا ناودان گلودار نامیده می شود. این ناودان یا کانال باز می تواند در کانال ها با هر شکلی جاگذاری شده و گلوی آن منشوری و تابع شکل کانال باشد. به عنوان مثال برای کانال های مستطیلی داشتن یک قسمت تنگ شده مستطیلی و برای فاضلاب روهای دایروی، استفاده از یک گلوگاه دایروی مناسب تر خواهد بود. همان گونه که گفته شد بعد از منطقه گلوگاه و پس از جریان فوق بحرانی، پرش هیدرولیکی به وجود می آید که تابعی است از عمق پایاب و چنان چه به علت افزایش عمق پایاب، پرش مستغرق گردد، یا گلوگاه تحت تاثیر عمق پایاب مستغرق شود، در تمام طول ناودان جریان زیربحرانی به وجود می آید.در هر حال ناودان های متفاوت و بسیاری، برای این امر مورد استفاده قرار می گیرند که تابع شرایط کانال و جریان بوده و امتیازات آن ها به صورت زیر خلاصه می شود:

1. افت انرژی کم
2. ساختمان قوی
3. سهولت عبور مواد معلق در آب

ناودان پارشال ( Parshall Flume ): یکی از مشهورترین ناودان ها، که به خصوص در آمریکا کاربرد فراوانی دارد ناودانی است که در سال 1938 به وسیله Parshall طراحی و به نام وی مشهور گردید. ناودان پارشال که نمونه استاندارد آن برای عرض گلوگاه 0.3 متر تا 2.5 متر در شکل زیر نشان داده شده است. در ابعاد و اندازه های مختلف برای دبی های 0.85 لیتر بر ثانیه تا 4 متر مکعب بر ثانیه به کار گرفته می شود.