بررسی آزمایشگاهی و عددی ضریب جریان در سرریزهای زیگزاگی سهموی شکل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

10.22034/jewe.2021.261054.1482

چکیده

افزایش ظرفیت هیدرولیکی انتقال جریان از روی سرریز به ازای ارتفاع سطح آب معین در بالادست سرریز، از طریق افزایش طول مؤثر تاج سرریز در واحد عرض مقطع جریان میسر است. در پژوهش حاضر به‌منظور بررسی هیدرولیک جریان و مقایسه دبی عبوری، شبیه‌سازی سه‌بعدی میدان جریان بر روی سرریزهای زیگزاگی قوسی (تک سیکل و دو سیکل) در محدوده نسبت بار هیدرولیکی (74/0- 05/0) به کمک نرم‌افزار Flow3D از طریق تحلیل آماری و مقایسه نتایج حاصل از مدل‌سازی عددی با داده‌های آزمایشگاهی انجام شد. سرریزهای مورداستفاده در این پژوهش، تعداد سه عدد (تک سیکل) با ارتفاع‌های 10، 12 و cm 15 و سه عدد (دو سیکل) با ارتفاع‌های 5،  6 و cm 5/7 در یک فلوم مستطیلی به طول 4/8، عرض 3/0 و ارتفاع m 45/0 مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج نشان داد که داده‌های مدل عددی هماهنگی مناسبی با داده‌های مدل آزمایشگاهی داشتند. طبق نتایج، با افزایش 50% ارتفاع سرریز، ضریب دبی حدود 5/25% افزایش نشان داد. همچنین ضریب دبی در سرریز زیگزاگی قوسی تک سیکل در نسبت‌های ارتفاع هیدرولیکی کوچک‌تر از 4/0 بیش­تر از سرریز زیگزاگی قوسی دو سیکل بوده و این مقدار در ارتفاع‌های هیدرولیکی بالاتر، تقریباً مساوی به­دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and Numerical Study of the Discharge Coefficient in Parabolic Labyrinth Weirs

نویسندگان [English]

  • Nader Banitamim 1
  • Mohammad Heidarnejad 2
1 M.Sc. Alumni, Department of Civil Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
2 Assoc. Professor, Department of Water Science Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

An increase in the hydraulic capacity of flow conveyance over a weir per a given stage of a stream upstream of the weir is feasible by extending the effective length of the crest of the weir per unit width of flow section. In this work, in order to study the hydraulics of the flow and compare the values of the passing discharge, a 3-D simulation of the flow field on arced labyrinth weirs (single-cycle and double-cycle) was carried out in Flow3D software at the hydraulic loading rate of 0.05 to 0.74 by statistical analysis and the comparison of results obtained from numerical modeling of experimental data. Weirs utilized in this study were three single-cycle weirs (10, 12, and 15 cm in height) and three double-cycle weirs (5, 6, and 7.5 cm in height) examined in a rectangular flume having 8.4, 0.3, and 0.45 m length, width, and height, respectively. The results showed that the data of the numerical model were well conformed to the data of the experimental model. According to the results, a 50% increase in the weir's height will raise the discharge coefficient by 25.5%. Furthermore, the discharge coefficient in a single-cycle arced labyrinth weir at hydraulic loading rates less than 0.4 was higher than the discharge coefficient in a double-cycle arced labyrinth weir. Moreover, the corresponding values were nearly equal at higher hydraulic loading rates.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Arced Labyrinth Weir
  • Discharge coefficient
  • Numerical Model
  • Flow3D
Anderson R. M. and Tullis B. (2013). Piano Key Weir Hydraulics and Labyrinth Weir Comparison. J. Irrig.  Drain. Eng., (ASCE). 139(3), 246-253.
Belzner, F., Merkel, J., Gebhardt, M. and Thorenz, C. (2017). Piano Key and Labyrinth Weir at German waterways: Recent and future research of the BAW, In: Labyrinth and Piano Key Weirs III – PKW 2017, 167–174.
Bilhan, O., Aydin, M. C., Emiroglu, M. E. and Miller, C. J. (2018). Experimental and CFD analysis of circular labyrinth weirs. J. Irrig.  Drain. Eng.,144(6).
Bremer, F. L. and Oertel, M. (2017). Numerical investigation of wall thickness influence on Piano Key Weirdischarge coefficients: A preliminary study. In: Labyrinth and Piano Key Weirs III – PKW 2017, 101 -108. CRC Press.
Burns, A.D. (1987). FLOW3D: The development and applications of release 2 originally published: UKAEA Atomic Energy Research, England.
Crookston, B. M. (2010). Labyrinth Weirs. PhD Thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Crookston, B. M., Paxson, G. S. and Savage, B. M. (2012). Hydraulic performance of labyrinth weirs for high headwater ratios. Proc. 4th IAHR Int. Symp. Hydraul. Struct., Porto, Portugal.
Dabling, M. and Tullis, B. P. (2018(. Labyrinth weirs with angled approach flow. J. Hydral. Eng., 144 (12).
Delgado, F. G. A., Paulina, M. A. and Camino S. F. J. (2015). Discharge coefficients spillways labyrinth implementing hydrodynamic devices in the upstream side. Proc. 36th IAHR World Congress. Hague, Netherlands.
Falvey, H. T. (2003). Hydraulic design of labyrinth weirs. ASCE Press, Reston, VA, United States.
Ghanbari, R. and Heidarnejad, M. (2020). Experimental and numerical analysis of flow hydraulics in triangular and rectangular piano key weirs. Water. Sci., 34(1), 32–38.
Gharibvand, R., Heidarnejad, M., Kashkouli, H. A., Hasoonizadeh, H. and Kmanbedast, A. (2020). Numerical analysis of flow hydraulic in trapezoidal labyrinths and Piano Key Weirs. J. Water Soil Sci., 24(1), 45-56 [In Persian].
Karimi Chahartaghi, M., Nazari, S. and Mahmoodian Shooshtari, M. (2019). Experimental and numerical simulation of arced trapezoidal piano key weirs. Flow. Meas. Instrum. 68, 101576.
Fadaei-Kermani, E. and Barani, G. A. (2014). Numerical simulation of flow over spillway based on the CFD method. Sci. Iran., 21(1), 91-97.
Marusi, M., Roshan, R. and Sarkardeh, H. (2014). Analysis and design with flow-3D software. First edition, Fadak Isatis Publication [In Persian].
Mohammadrezapour Tabari, M. and Omidi Arjangi, M. (2019). Simulation of overflow the piano key weir using the Flow3D. 11th Int. River Eng. Con. Ahvaz, Iran [In Persian].
Montazemian, M. and Nohani, E. (2017). Investigation of geometric and hydraulic parameters affecting the performance of Labyrinth Weir. Proc.  Nat. Conf. on Water.  Hydraul. Struct., 1 March, Dezful Branch, Islamic Azad University, Dezful, Iran [in Persian].
Paxson, G., Tullis, P. and Hertel, J. (2013). Comparison of piano key weirs with labyrinth and gated spillways: Hydraulics, cost, constructability and operations. In: Labyrinth and Piano Key Weirs II: 123 -130.
Sangsefidi, Y., Mehraein, M and Ghodsian, M. (2015). Numerical simulation of flow over labyrinth spillways. Sci. Iran. 22(5), 1779-1787.
Zeraat, B., Heidarnejad, M., Masjedi, A., Kamanbedast, A. and Hasoonizadeh, H. (2019). Laboratory studies into hydraulic coefficient in curved planform labyrinth weir and piano key weir. Građevinar 71(5), 409-416.