بررسی آزمایشگاهی تأثیر موانع مکعبی و استوانه ای میله ای شکل بر حرکت و کنترل بدنه جریان غلیظ نمکی

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 3، دوره 16، شماره 56، اردیبهشت 1402، صفحه 31-52   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2023.5842

نویسندگان

محمد رضا منسوجیان¹؛ مهدی قمشی^{* 2}؛ هوشنگ حسونی زاده³؛ سید عباس حسینی⁴

¹گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

²استاد دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران.

³استادیار دانشکده عمران آب، دانشگاه آزاد اسلامی‌ واحد شوشتر، ایران.

⁴استادیار گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران،ایران.

تاریخ دریافت: 31 مرداد 1400،  تاریخ بازنگری: 08 آذر 1400،  تاریخ پذیرش: 13 اسفند 1401 

چکیده

چکیده
مقدمه: استفاده از مانع در مخازن سدها بعنوان یک روش مؤثر در هدایت رسوب‌گذاری در میانه مخزن (بجای رسوبگذاری در کنار دیواره‌ی سد که تأسیسات در آن مکان قرار دارند) مطرح می‌باشد. در این تحقیق بمنظور کنترل جریان غلیظ نمکی، تاثیر موانع استوانه ای و مکعبی میله‌ای شکل بر مشخصات و حرکت بدنه جریان بصورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است.
روش­: تعداد 323 مانع استوانه ای شکل به قطر یک سانتیمتر و ارتفاع سی‌سانتیمتر و در مرحله بعد همین تعداد مانع مکعبی شکل با ابعاد 1×1 سانتیمتر و ارتفاع سی سانتیمتر با آرایش زیگزاگی بر روی بستر پلکسی در کانالی به طول 5/12متر، عرض 30 سانتیمتر و ارتفاع 40 سانتیمتر قرار داده شد. آزمایشها با سه دبی (27/0، 55/0 و 83/0 لیتر در ثانیه) و سه شیب (2/0، 5/0 و 1 درصد) و غلظت ثابت (15گرم در لیتر)، انجام شد.
یافته­ ها: نتایج حاصل نشان داد که به کار بردن موانع باعث کاهش ارتفاع بدنه جریان غلیظ در طول کانال می‌شود. ارتفاع بدنه در موانع مکعبی بیش از استوانه ای می‌باشد. بکارگیری موانع بر پروفیل‌های سرعت تأثیرگذار بوده و باعث کاهش سرعت بدنه جریان غلیظ شده اند. دبی عبوری بدنه جریان غلیظ در بستر بدون مانع دارای روند افزایشی و در بسترهای با مانع دارای روند کاهشی می‌باشد. به‌نحوی که درصد کاهش دبی در موانع مکعبی 5/1 تا 2 برابر نسبت به موانع استوانه‌ای است.
نتیجه­ گیری: با حرکت در طول کانال میزان کاهش غلظت بدنه جریان غلیظ برای موانع مکعبی و استوانه ای به‌ترتیب 49% و 41%نسبت به بستر بدون مانع حاصل شد. همچنین در موانع مکعبی میزان کنترل دبی بیشتر از موانع استوانه ای، بوده است.

کلیدواژه‌ها

جریان غلیظ؛ بدنه جریان غلیظ؛ موانع مکعبی شکل؛ موانع استوانه‌ای شکل؛ جریان غلیظ نمکی

عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of the Cubic, Cylindrical, and Pile-shaped Obstacles on the Motion and Control of the Body of Saline Density Current

نویسندگان [English]

Mohammad Reza Mansoujian¹؛ Mehdi Ghomeshi²؛ Houshang Hasounizadeh³؛ Seyed Abbas Hosseini⁴

¹Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

²Professor, Ph.D., Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz Golestan Blvd, Ahvaz, Iran.

³Ph.D. CE, Water Management Adviser of KWPA, Ahvaz, Iran.

⁴Assistance professor, Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: The use of obstacles in dam reservoirs is considered an effective method for directing sedimentation toward the middle of the reservoir (instead of sedimentation next to the dam wall where the facilities are located). In the present study, to control the saline density current, the effect of cylindrical, cubic, and pile-shaped obstacles on the characteristics and motion of the body of the density is experimentally investigated.
Methods: In this regard, 323 cylindrical obstacles with a diameter of 1 cm and a height of 30 cm, were placed on the bed of a Plexiglas in a channel with a length of 12.5 m, a width of 30 cm, and a height of 40 cm in a zigzag form along with the same number of cubic obstacles with dimensions of 1.1 cm and a height of 30 cm in the next step. The experiments were performed with three flow rates (0.27, 0.55, and 0.83 liters per second), three slopes (0.2, 0.5, and 1%), and constant concentration (15 g/l).
Findings: The results showed that the use of obstacles reduces the height of the body of density current along the channel. The height of the body in cubic obstacles is more than cylindrical obstacles. The use of obstacles affects the velocity profiles and reduces the velocity of the body of the density current. The flow rate of the body of density current in a bed without obstacles has an increasing trend while it has a decreasing trend in the bed with obstacles. Therefore, the reduction of flow rate in cubic obstacles was 1.5 to 2 times compared to the cylindrical obstacles. As a result, flow rate control in cubic obstacles was greater. Also, by moving along the channel, the reduction of the concentration of body of the density current in cubic and cylindrical obstacles was 49% and 41%, respectively, compared to the bed without obstacle

کلیدواژه‌ها [English]

Density current, Body of density current, Cubic obstacles, Cylindrical obstacles, Saline density current

مراجع

• Thapa, B.S., O.G. Dahlhaug, and B. Thapa. 2015. Sediment erosion in hydro turbines and its effect on the flow around guide vanes of Francis turbine. Renewable and Sustainable Energy Reviews,  49: 1100-1113.
• Vreeburg, J., D. Schippers, J. Verberk, and J. Van Dijk. 2008. Impact of particles on sediment accumulation in a drinking water distribution system. Water research,  42(16): 4233-4242.
• Toniolo, H. and G. Parker. 2003. 1D numerical modeling of reservoir sedimentation. in IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, Barcelona, Spain.
• Toniolo, H. and J. Schultz. 2005. Experiments on sediment trap efficiency in reservoirs. Lakes & Reservoirs: Research & Management,  10(1): 13-24.
• Keshtkar, S., S. Ayyoubzadeh, and B. Firoozabadi. 2011. Experimental Studies on Thickness and Vertical Velocity Distribution of Turbidity Current.
• Graf, W.H. and M.S. Altinakar. 1988. Fluvial hydraulics: Flow and transport processes in channels of simple geometry.
• Danial, G., S.L. Kaveh, K. Ehsan, and A. Soroush. 2020. Large eddy simulation of turbidity currents in a narrow channel with different obstacle configurations. Scientific Reports (Nature Publisher Group),  10(1).
• Graf, W.H. and G. WH. 1983. The hydraulics of reservoir sedimentation.
• Andrews, B.J. and M. Manga. 2012. Experimental study of turbulence, sedimentation, and coignimbrite mass partitioning in dilute pyroclastic density currents. Journal of Volcanology and Geothermal Research,  225: 30-44.
• Simpson, J.E. 1999. Gravity Currents: in the Environment and the Laboratory. Cambridge university press.
• Bombardelli, F.A., M.I. Cantero, M.H. Garcia, and G.C. Buscaglia. 2009. Numerical aspects of the simulation of discontinuous saline underflows: the lock-exchange problem. Journal of Hydraulic Research,  47(6): 777-789.
• Asghari Pari, S.A., S.M. Kashefipour, and M. Ghomeshi. 2017. An experimental study to determine the obstacle height required for the control of subcritical and supercritical gravity currents. European Journal of Environmental and Civil Engineering,  21(9): 1080-1092.
• Mansoujian, M.R., M. Ghomeshi, H. Hasounizadeh, and S.A. Hosseini. 2021. Utjecaj valjkastih i kockastih pilota na gradijentne struje. Građevinar,  73(05.): 499-507.
• Alexander, J. and S. Morris. 1994. Observations on experimental, nonchannelized, high-concentration turbidity currents and variations in deposits around obstacles. Journal of Sedimentary Research,  64(4a): 899-909.
• Poustizadeh, N. and M. Ghomeshi. 2015. Effect of Obstacles Transversal Distances on Suspended Sediment Transport in The Case of Transverse Wave Occur. Irrigation Sciences and Engineering,  38(1): 11-20.
• Oehy, C. and A. Schleiss. 2003. Physical and numerical modelling of a turbidity current flowing through a permeable screen. in Proceedings of the XXX IAHR Congress. IAHR.
• Altinakar, S., W.H. Graf, and E. Hopfinger. 1990. Weakly depositing turbidity current on a small slope. Journal of Hydraulic Research,  28(1): 55-80.
• Oehy, C.D. and A.J. Schleiss. 2007. Control of turbidity currents in reservoirs by solid and permeable obstacles. Journal of Hydraulic Engineering,  133(6): 637-648.
• Sequeiros, O.E., B. Spinewine, R.T. Beaubouef, T. Sun, M.H. García, and G. Parker. 2010. Characteristics of velocity and excess density profiles of saline underflows and turbidity currents flowing over a mobile bed. Journal of Hydraulic Engineering,  136(7): 412-433.
• Nikkhah, S.Z., S.M. Kashefipour, and M. Daryaee. 2018. Investigation of Installation Consecutive Obstacles on the Characteristics and Controlling of Density Current Body. Journal of Civil and Environmental Engineering,  48(92): 87-95.
• Farizan, A., S. Yaghoubi, B. Firoozabadi, and H. Afshin. 2019. Effect of an obstacle on the depositional behaviour of turbidity currents. Journal of Hydraulic Research,  57(1): 75-89.
• Derakhshannia, M., M. Ghomeshi, S.S. Eslamian, and S.M. Kashefipour. 2021. Investigation of the Effect of Permeable Obstacle on the Head Flux of Salt Density Current. Water and Irrigation Management,  11(1): 1-14.
• Ellison, T. and J. Turner. 1959. Turbulent entrainment in stratified flows. Journal of Fluid Mechanics,  6(3): 423-448.
• Beni, H.D., S. Kashefipour, and M. 2018. Ghomeshi. Experimental Investigation of Water Entrainment of Salty Density Current Over the Bed with Cubic Roughness.
• Daryaee, M., S.M. Kashefipour, And M. Ghomshi. 2016. Experimental Study of the Effect of Roughness on the Velocity and Concentration Profiles of Sedimentary Density Current Body. Irrigation Sciences and Engineering, 37(3): 21-31.