در طرح کانال های باز، ناگزیر از ایجاد انحنا در مسیر کانال می باشیم و درجه انحنای مسیر به وضعیت محل بستگی پیدا می کند. در هنگام عبور آب از چنین مسیرهایی وضعیت جریان متفاوت می شود. علت این امر وجود نیروی گریز از مرکز است که منجر به پدیده اضافه ارتفاع می گردد. در واقع جریان هایی که در کانال های غیر خطی دیده می شوند به جریان های حلزونی معروف هستند. در مطالعه این چنین جریان هایی در کانال های غیر خطی، به بررسی جریان های حلزونی، افت انرژی و اضافه ارتفاع ناشی از نیروی گریز از مرکز پرداخته و عواملی را که بایستی در طرح کانال های غیر خطی یا غیر مستقیم در نظر داشت مطرح می نمایند.
جریان در کانال های غیر خطی
در طرح های آبی معمولا وجود انحنا در مسیر آبرو ها غیر قابل اجتناب است. در طرح چنین کانال هایی مشکل از موقعیت پیچیده جریان در مجاورت مسیرهای پیچ و خم دار سر چشمه می گیرد. در هنگام عبور جریان از مسیرهای غیر خطی یا انحنا دار (Nonlinear Alignment) خطوط جریان دارای انحنا هستند که نتیجتا موجب ایجاد جریان های حلزونی (Spiral Flow) می گردد. در چنین جریان هایی به علت وجود نیروی گریز از مرکز (Centrifugal Force) یک پدیده بی مانند اتفاق می افتد که آن را اضافه ارتفاع (Superelevation) می نامند. در این پدیده سطح آب در قسمت خارجی انحنا یالا و در قسمت داخلی آن پایین می آید. همچنین در جریان کانال های غیر خطی مقادیر آلفا و بتا بیشتر از واحد هستند و دلیل این امر نا منظمی شدید توزیع سرعت در سطوح مقاطع خم می باشد. در کانال های غیر خطی بر حسب وضعیت جریان (State of Flow)، وضعیت هیدرولیکی خاصی مشاهده می شود. به طور کلی می توان گفت که در جریان های زیر بحرانی در حالی که در جریان های فوق بحرانی (Supercritical) آشفتگی موج و اضافه ارتفاع زیاد ایجاد می گردد. در مطالعه جریان های زیر بحرانی در کانال های غیر خطی (Nonlinear Alignment Channel) جریان های حلزونی از اولویت خاصی برخوردار هستند. این جریان ها اساسا یک پدیده اصطکاکی هستند از این رو در تجزیه و تحلیل مسائل مربوطه از عدد رینولدز (Reynolds Number) کمک گرفته می شود.
اگر جریان در کانال های غیر خطی فوق بحرانی باشد، تشکیل موج از نگرانی های اصلی خواهد بود. این موج ها معمولا از نوع موج ثقلی (Gravity Wave) هستند و بر حالت سطح آب تاثیر می گذارد. در تجزیه و تحلیل این گونه مسائل نیز از عدد رینولدز (R) استفاده می شود.
مطالعه جریان های حلزونی
جریان های حلزونی به حرکت مارپیچی مولکول های آب که در جهت کلی جریان آب حرکت می کنند گفته می شود و چنین استنباط می گردد که علاوه بر مولفه کلی سرعت در جهت عمود بر سطح مقطع جریان، مولفه های دیگری از سرعت وجود دارند که بر سطح مقطع جریان عمود نیستند. این مولفه های اریب (Transverse Components) موجب ایجاد یک جریان ثانوی (Secondary Flow) می شود که در روی سطح مقطع جریان می باشد.
برای اولین بار جریان های حلزونی در کامال های غیر خطی بوسیله Thomson مشاهده گردید و سپس توسط عده دیگری از محققین مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به نتایج بدست آمده می توان گفت که این پدیده اساسا به عوامل زیر بستگی پیدا می کند:
- اصطکاک در دیواره های بستر کانال که موجب ایجاد رشته های آب با سرعت بیشتر در مرکز کانال نسبت به دیواره ها می شود.
- نیروی گریز از مرکز که موجب انحراف مولکول های آب از مسیر مستقیم گردیده و باعث اضافه ارتفاع می شود.
- در محل ورود آب به پیچ یا خم، یک توزیع عمودی سرعت وجود دارد که علت شروع حرکت حلزونی در جریان است. حال اگر به طرف پایین دست جریان نگاه کنیم، به طور کلی یک کانال غیر خطی در سمت راست، موجب تشکیل جریان حلزونی با حرکت عکس عقربه های ساعت و اگر کانال غیر خطی در سمت چپ قرار داشته باشد خلاف حالت اول اتفاق می افتد. باید این نکته را در نظر گرفت که اگر در یک مسیر غیر خطی طولانی، جریان حلزونی ایجاد شود در فاصله زیادی از پایین دست این تغییرات ادامه می یابد.
جریان های حلزونی در واقع یک جریان سه بعدی و پیچیده هستند که برای بررسی آن ها به وسایل خاص احتیاج است. به عنوان مثال برای اندازه گیری مولفه های سرعت در سطوح مختلف یک سیستم مختصات، از پیتوت کره ای (Pitot Sphere) استفاده می گردد.
سوال: آیا کانال های غیر خطی تنها بستر جریان های حلزونی خواهند بود؟
جواب: خیر. جریان حلزونی نه تنها در کانال های غیر خطی، بلکه در کانال های مستقیم (Straight Channel) نیز اتفاق می افتد. با این تفاوت که جریان حلزونی در کانال غیر خطی، انحنا دار، که بوسیله نیروی گریز از مرکز تولید می شود، پایدار و قابل تشخیص می باشد و به علاوه به طور نامنظم در طول مسیر انحنا دیده می شود. در محل تلاقی کانال مستقیم و کانال غیر مستقیم، جریان حلزونی مربوط به دو قسمت با یکدیگر تداخل نموده و یک جریان پیچیده را به وجود می آورد. معمولا قوی ترین نوع جریان جانبی (Lateral Current) در نزدیکی دیوار بیرونی در قسمت وسط انحنا در آن جایی که جهت عمودی جریان به طرف خارج از منحنی است اتفاق می افتد. جهت و موقعیت آن ها در قسمت دوم انحنا به تدریج تغییر می کند. برای توصیف و توجیه عظمت و تاثیر جریان های حلزونی برای انحناهای مختلف در شرایط گوناگون جریان، از عاملی به نام توان جریان حلزونی (Strength of a Spiral Flow) استفاده می شود. این عامل توسط Shukry پیشنهاد گردید و عبارت است از درصد نسبت متوسط انرژی سینتیک حرکت های جانبی (Lateral Motion) به کل انرژی سینتیک در یک سطح مقطع جریان می باشد.
باید توجه داشت که انرژی سینتیک جریان به مجذور سرعت بستگی دارد. حال در یک سطح مقطع جریان در صفحه xy ، توان جریان حلزونی عبارت است از رابطه زیر که در آن Vxy تصویر بردار متوسط سرعت در روی صفحه xy و V سرعت در مقطع فوق الذکر است. حال اگر تمام خطوط جریان (Streamlines) با محور کانال موازی باشند مقدار Vxy=0 و لذا توان جریان حلزونی نیز Sxy=0 است.
