بررسی عددی و آزمایشگاهی پرش آبی نوع B در حوضچه‌ی آرامش با پله‌ی ناگهانی و بستر زبر

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 3، دوره 6، شماره 19، بهمن و اسفند 1392، صفحه 37-50   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمد جواد نصراصفهانی^{* 1}؛ محمود شفاعی بجستان²؛ سید محمود کاشفی پور²؛ منوچهر فتحی مقدم²

¹استادیار دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز

²استاد دانشکده مهندسی علوم آب- دانشگاه شهید چمران اهواز

تاریخ دریافت: 10 اسفند 1392،  تاریخ پذیرش: 10 اسفند 1392 

چکیده

حوضچه‌ی‎های آرامش از نوع پرش آبی با افتادگی کف ناگهانی به منظور کاهش طول پرش و اطمینان از وقوع پرش در ابتدای حوضچه‌ی در پایین دست دریچه‌ها کاربرد دارند. ممکن است در این نوع حوضچه‌ی چهارنوع پرش تشکیل شود که مهمترین آن نوع  Bمی‌باشد.از طرفی، ثابت شده‌است که زبری بستر نیز می‌تواند به کاهش بیشتر طول پرش و عمق پایاب کمک کند. از این رو، در تحقیق حاضر پرش نوع  Bبر روی بستر زبر با افتادگی ناگهانی با کاربرد شبیه سه بعدی FLOW-3D شبیه‌سازی و با داده‌های حاصل از شبیه آزمایشگاهی مقایسه شد. خصوصیات پرش، از جمله عمق مزدوج، توزیع سرعت، و تنش برشی بستر از دو شبیه عددی و فیزیکی استخراج و مقایسه شدند. برای شبیه سازی عددی پرش نوع B از روش حجم سیال در تحلیل جریان آزاد و شبیه RNG k-ε استفاده شد. نتایج به‌دست آمده نشان دادند که شبیه آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با شبیه k-ε در شبیه‌سازی پرش آبی با افتادگی ناگهانی با بستر زبر نسبت به سایر شبیه‎های آشفتگی از دقت بیشتری برخوردار است. در مقایسه با پرش کلاسیک و بستر صاف، نتایج نشان دادند که در پرش با افتادگی ناگهانی و بستر زبر عمق مزدوج کاهش می‌یابد، که می‌تواند ناشی از افزایش تنش برشی به‌دلیل وجود زبری و افتادگی ناگهانی باشد.

کلیدواژه‌ها

جهش آبی؛ پله معکوس؛ بستر زبر؛ شبیه عددی

عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Simulation of the B-jump in an Abrupt Roughened Bed of a Stilling Basin

نویسندگان [English]

M.J N¹؛ M. SH²؛ S.M K²؛ M. F²

چکیده [English]

Hydraulic jump type stilling basins with abrupt drop are used to reduce the basin length and to ensure the start of jump at the front of basin immediately downstream of gates. In this type of basin, four different types of jumps can develop of which the most occurred type is the B-jump. On the other hand, it has been shown that the bed roughness can reduce both of the jump length and the required tail-water depth too. Therefore, in the present study, the B-jump in a roughened bed of an abrupt drop basin was simulated by the three dimensional numerical model of Flow-3D and the results are compared with experimental data. The characteristics of B-jump in a roughened bed such as sequent depth, flow velocity distribution, and bed shear stress were obtained from both numerical and experimental models and compared. For numerical simulation of the B-jump, the method of control volume in free surface water and the RNG k-ε turbulent model were applied. The results show that the RNG k-ε is a better simulation than the k-ε turbulent model. The results of both numerical and experimental models proved that for the B-jump in a roughened bed stilling basin, the sequent depth reduces, which can be due to roughness and an increase in the bed shear stress, as a result of both the bed and the abrupt drop.

کلیدواژه‌ها [English]

Hydraulic jump, abrupt drop, roughened bed, Numerical Model

مراجع

10. Abbaspour, A., A. Hosseinzadeh Dalir,
D. Farsadizadeh, and A. Sadraddini.
2009. Effect of sinusoidal corrugated bed
on hydraulic jump characteristics. J.
Hydro-Environ. Res. 3:109-117.
11. Carolo, F.G., V. Ferro, and V. Pam
Palone. 2007. Hydraulic jumps on rough
beds. J. of Hydraul. Eng. ASCE 133:
989-999. DOI: 10.1061/ (ASCE) 0733-
9429 (2007). 133: 9(989).
12. Ead, S.A., and N. Rajaratnam. 2002.
Hydraulic jumps on corrugated beds. J.
Hydraul. Eng. Div. ASCE 128: 656-663.
DOI: 10.1061/ (ASCE) 0733-9429
(2002) 128:7 (656).
13. Forster, J.W., and R.A. Skrinde. 1950.
Control of the hydraulic jump by sills.
Trans. ASCE 115:988-991.
14. Flow Science Inc. 2009. Flow3D user's
manual. Santa Fee, N.M.
15. Gill, M.A. 1980. Effect of boundary
roughness on hydraulic jump. Water
Power & Dam Construc. 32:22-24.
16. Gohari, A., and J. Farhoudi. 2009. The
characteristics of hydraulic jump on
rough bed stilling basins. 33rdIAHR
Congr. Water Eng. a Sustainable
Environ.Vancouver, British Columbia:1-
9.
17. González, A.E., and F.A. Bombardelli.
2005. Two-phase-flow theoretical and
numerical models for hydraulic jumps,
including air entrainment. In: Proc.
XXXI IAHR Congr. Seoul, Korea.
18. Gunal, M. and R. Narayanan.1998. K-ε
turbulence modeling of submerged
hydraulic jump using boundary-fitted
coordinates, Proc. Inst. Civil Eng. Water,
Maritime and Energy. 130:104-114.
19. Hager, W.H., and N. Kawagoshi. 1990.
Hydraulic jump at rounded drop. J.
Hydraul. Div. ASCE 89:443-470.
20. Hager, W.H., and R. Bremen. 1989.
Classical hydraulic jump: sequent depths
ratio. J. Hydraul. Res. IAHR 27: 566-
570.
21. Hager, W.H., and N.V. Bretz. 1987.
Hydraulic jumps at positive and negative
steps. J.Hydraul. Res. 24(4).
22. Hughes, W.C., and J.E. Flack. 1984.
Hydraulic jump properties over a rough
bed. J. Hydraul. Eng. Div. ASCE 110:
1755-1771.
23. Moore, W.L., and C.W. Morgan. 1852.
Hydraulic jump at an abrupt drop.
J.Hydraul. Div. ASCE
24. Nasr Esfahani, M.J., and M. Shafai
Bajestan. 2012. Dynamic force
measurement of roughened bed B-jump
at an abrupt drop. Arch. Des Sci. J. 65: n.
8.
25. Nasr Esfahani, M.J, and M. Shafai
Bajestan. 2012. Design of stilling basins
using artificial roughness. J. Civil Eng.
and Urban. (JCEU) 2: 131-135.
26. Nasr Esfahani, M.J., and M. Shafai
Bajesta. 2012. Effect of roughness height
on the length of B jump at an abrupt
drop. Int. Res. J. App. Bas. Sci. 3: 2757-
2762.
27. Pagliara, S., I. Lotti, and M. Palermo.
2008. Hydraulic jump on rough bed of
stream rehabilitation structure. J. HydroEnviron. Res. 2: 29-38.
28. Rajaratnam, N. 1965. The Hydraulic
jump as a wall jet. J. Hydraul Div. ASCE
91: 107–132.
29. Rajaratnam, N. 1968. Hydraulic jump on
rough bed. Trans. Eng. Inst. Canada,
11(A-2): 1-8.
30. Rouse, H., B.V. Bhoota, and H. En-Yun.
1951. Design of channel expansions.
Trans. Eng. Inst. Canada 116 : 360.
31. Sabbagh-Yazdi, S.R., F. Rostami, and E.
Nikos Mastorakis. 2007. Turbulent
modeling effects on finite volume
solution of three dimensional aerated
مجلهی مهنذسی مناتع آب / سال ضطم / زمستان 1392 49
hydraulic jumps using volume of fluid.
Proc. 12th WSEAS Int. Conf. App.
Mathematics.
32. Sarker, M.A., and D.G. Rhodes. 2002.
Physical modeling and CFD applied to
hydraulic jump. Cranfield University
Report.
33. Sharp, J. 1974. Observation on hydraulic
jumps at rounded step. J. Hydraul. Div.
ASCE 100( HY6): 787-795.
34. Tokyay, N.D. 2005. Effect of channel
bed corrugations on hydraulic jumps.
Impacts of global climate change
conference, EWRI, 15-19 May,
Anchorage, Alaska, USA.
35. Zhao, Q., and S.K. Misra. 2004.
Numerical Study of a Turbulent
Hydraulic Jump. Proc. 17th Eng. Mech.
Conf. University of Delaware, New
York.