بررسی آزمایشگاهی فرسایش در پایین دست حوضچه های آرامش برای خروجی لوله ها : پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش مهندسی آب

پایان نامه ای که معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته عمران  و با عنوان بررسی آزمایشگاهی فرسایش در پایین دست حوضچه های آرامش برای خروجی لوله ها در 98 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب عمران  قرار گیرد.

چکیده بررسی آزمایشگاهی فرسایش در پایین دست حوضچه های آرامش برای خروجی لوله ها:

حوضچه­ های آرامش باید به گونه ای طراحی شوند که بتوانند انرژی پتانسیل ذخیره شده در آب مخزن بندها و سدها را به گونه ای ضمن انتقال به بستر طبیعی مستهلک کنند که موجب از بین رفتن بستر و در شرایط بحرانی تخریب خود حوضچه و سد نشوند. در منابع مختلف بسته به شرایط جریان و شکل خروجی جریان بر اساس نتایج مطالعات آزمایشگاهی متعدد انجام شده روش­هایی برای طراحی حوضچه آرامش ارائه می­شود که در مواردی به شدت غیر اقتصادی هستند و به طول زیاد و مصرف مصالح بیش از اندازه منتهی می شوند.

در این تحقیق چند مورد از بهترین مدل­های ارائه شده برای حوضچه ­های آرامش در خروجی لوله ­ها مدلسازی شدند و از طریق معرفی پارامتر بی ­بعد نسبت عمق آبشستگی به فاصله محل حداکثر آبشستگی از شروع بستر فرسایش پذیر، عملکرد مدل­ها مقایسه شدند. برای مقایسه صحیح مدل­ها، در تمام آزمایش­ها با ایجاد شرایط یکسان هیدرولیکی در بالا و پایین دست حوضچه یا به عبارتی قرار دادن تمام حوضچه ­ها در میان دو انرژی یکسان و مدل کردن بستر فرسایش پذیر مشابه در پایاب همه مدل­هابا مقایسه پارامتر نسبت عمق آبشستگی به فاصله محل حداکثر آبشستگی از شروع حوضچه رسوب و پروفیل وسط حفره آبشستگی عملکرد حوضچه­ ها بررسی شدند. در نهایت با ایجاد تغییراتی در حوضچه­ های پیشنهادی از جمله زاویه دیواره معرفی شده در حوضچه تیپ شش USBR[1] و ایجاد شیب معکوس درکف حوضچه، موفق شدیم طول حوضچه را 20 درصد کاهش دهیم.

نتایج تحقیق نشان می­دهد برای بهبود عملکرد حوضچه مستقل از فرود جریان ورودی یک زاویه بهینه برای دیوار داخل حوضچه وجود دارد و شیب معکوس کف حوضچه موجب بهبود عملکرد حوضچه می شود. حوضچه آرامش معرفی شده در این تحقیق با آنکه طول کمتری نسبت به بهترین مدل­های معرفی شده دارد در شرایط هیدرولیکی مشابه آبشستگی کمتری ایجاد می­کند و عملکردی مستقل­تر نسبت به تراز آب پایاب از خود نشان می­دهد.

مقدمه

کلمه فرسایش که در انگلیسی اروژن و در زبان فرانسه اروزیون تلفظ می­شود، از ریشه لاتین ارودری[1] به معنی سائیدگی می­باشد و عبارتست از سائیده شدن سطح زمین. به­ طور کلی فرسایش خاک[2] عبارتست از جابجایی و جداشدن ذرات خاک از بستر اصلی خود وانتقال آن به مکانی دیگر در اثر عامل انتقال دهنده (الیسون[3]، 1947). در صورتیکه عامل جدا کننده ذرات از بستر و انتقال آنها آب باشد، به آن فرسایش آبی[4] می­گویند.

زمانی که آب از یک تراز به تراز پایین­تر منتقل می شود انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در صورت مهار نشدن انرژیبالای جنبشی جریان در طولانی مدت می­تواند باعث خرابی و ایجاد فرسایش در پایین دست جریان شود. برای جلوگیری از خسارات ناشی از انرژی فوق العاده آب در سرعت­های فوق بحرانی و نیز به منظور از بین بردن انرژی اضافی سینتیک موجود در چنین آبی، عموماً از سازه ­های خاصی به نام انرژی گیرنده[5] که در پایین دست جریان ساخته می شوند استفاده می شود. اینگونه سازه ­ها علاوه بر از بین بردن انرژی آب، وسیله ای برای کنترل و مهار پرش هیدرولیکی و بوجود آوردن شرایط وقوع آن در یک موقعیت مکانی خاص نیز بشمار می روند. به عبارت دیگر موقعی که یک پرش هیدرولیکی روی یک سطح صاف رخ می دهد کوچکترین تغییری در اعماق جریان بالا و پایین دست آن میتواند باعث تغییر مکان پرش به یکی از دو سو گردد، لذا منطقی است در حوضچه ها از سازه ­هایی جهت کاهش حساسیت از جمله آب پایه[6] استفاده گردد.

در حالت کلی دو روش برای کاهش انرژی آب وجود دارد، روش اول استفاده از تبدیل­های موضعی و یا اجزاء دیگری که باعث آشفتگی جدی در جریان می شوند، روش دوم بر اساس پرتاب آب به یک نقطه دوردست است که در این میان جریان به ذرات ریزی تبدیل می شود و در برخورد با هوا و برگشت به زمین مقدار زیادی از انرژی خود را از دست می دهد (ابریشمی 1380).

اگر چه طول پرش هیدرولیکی و افت ایجاد شده یکی از پارامتر­های حساس در طراحی است اما در حالت کلی قابل محاسبه از طریق تحلیل ریاضی نبوده و لازم است تا در هر مورد از نتایج تجربی و آزمایشگاهی نیز استفاده گردد(ابریشمی 1380).

یکی از محل­هایی که جریان با سرعت زیاد مستعد ایجاد خسارت در پایین دست جریان است خروجی لوله ­های تحت فشار است، انرژی زیاد این جریان باید به صورت کار آمدی گرفته شود تا از خسارت و فرسایش در پایین دست جلوگیری شود. جت­های آب، کالورت­ها و تونل­های انتقال آب نمونه­ای از سازه­ هایی هستند که نیاز به سازه مستهلک کننده انرژی دارند(1974،USBR).

در 60 سال گذشته بررسی های بسیاری روی حوضچه ­های آرامش در خروجی لوله ­ها انجام گرفته است. حوضچه­ های مختلف در فرم­ها و طول­های متفاوتی بر اساس فرود جریان خروجی ارائه شده­اند که بسیاری از آنها علاوه بر کارایی پایین طول نسبتاً زیادی نیز دارند و ساخته شدن آنها نیازمند صرف هزینه زیادی است. یک معیار مناسب برای بررسی عملکرد حوضچه­ ها و کارایی آنها در استهلاک انرژی آب، میزان فرسایش ایجاد شده در پایاب در شرایط هیدرولیکی مشابه می­باشد. به عبارت دیگر هرچه عملکرد حوضچه بهتر باشد با ایجاد تلاطم بیشتر افت بیشتری ایجاد می کند در نتیجه آب خروجی انرژی کمتری دارد و از توان فرسایشی آن کاسته می شود.

در این تحقیق میزان آبشستگی و فرم حفره آبشستگی به عنوان معیار مقایسه عملکرد حوضچه ها در نظر گرفته شده است.

اهمیت و ضرورت انجام تحقیق

برای بیان اهمیت انجام این تحقیق همانطور که در مقدمه ذکر شد مدل­های متعددی برای طراحی حوضچه آرامش در خروجی لوله­ ها معرفی شده اند که مبنای همگی آنها مدل سازی­های آزمایشگاهی می باشد. در بخش اول این تحقیق، محقق با بررسی منابع موجود نیاز به یک تحقیق جامع و استفاده از یک معیار مناسب برای مقایسه مدل­های مطرح شده را ضروری می داند تا با بررسی و معرفی نقاط ضعف و قوت مدل­های معرفی شده، کم هزینه ترین و موثر ترین مدل ارائه شده توسط سایرین معرفی شود. در این تحقیق بخش اولیه متمرکز بر بررسی و شناخت مدل­های معرفی شده است، نکته اساسی دوم در مورد حوضچه آرامش در خروجی لوله­ ها، بررسی امکان بهبود عملکرد حوضچه بر اساس نقاط ضعف و قوت سایر مدل­هاست.

بر اساس پیچیدگی میدان حل در حوضچه های آرامش برای حل تحلیلی و یا عددی جهت بررسی میزان افت ایجاد شده در انواع مختلف حوضچه آرامش، عمده مطالعات انجام شده به صورت آزمایشگاهی بوده­اند، بر همین اساس مبنای مقایسه ­ها در این تحقیق نیز مدل سازی آزمایشگاهی است. با توجه به تعداد زیاد متغییر­های موثر بر عملکرد حوضچه­ های آرامش در خروجی لوله ­ها امکان بررسی همزمان همه پارامتر­ها در یک تحقیق امکان پذیر نمی باشد و در بخش دوم این تحقیق با توجه به طول زیاد مدل­های پیشین با بررسی برخی از پارامتر هایی که در تحقیق­های قبلی بررسی نشده اند امکان کاهش طول حوضچه به صورتی که عملکرد حوضچه را کاهش ندهد مورد بررسی قرار گرفته است.

در نهایت نکته اساسی در حوضچه ­های آرامش تحت تاثیر بودن حوضچه­ ها از عمق پایاب است که لازم است به نحو مناسب و با فرضیات معقول عملکرد حوضچه­ها با توجه به تغییرات جدید در عمق­های مختلف پایاب بررسی و با مدل­های پیشین مقایسه شود.

سوالات عمده تحقیق

• در میان مدل­های معرفی شده کدام مدل عملکرد بهتری دارد؟
• آیا امکان کاهش طول حوضچه آرامش وجود دارد؟
• با توجه به این که شیب معکوس باعث در گیر شدن مولفه وزن در معادلات ممنتم میشود می تواند باعث بهبود عملکرد حوضچه آرامش شود؟
• آیا یک زاویه بهینه برای دیواره معرفی شده در استاندارد اداره آبادانی ایالات متحده[7] وجود دارد که با ایجاد تلاطم بیشتر باعث بهبود عملکرد حوضچه شود؟

نتیجه ­گیری

حوضچه آرامش در خروجی لوله متاثر از پارامترهای زیادی همچون طول حوضچه، عرض حوضچه، شکل و ارتفاع آستانه، شکل، محل و زاویه دیوار، بازشدگی زیر دیوار، شکل، محل، عرض و ارتفاع پخش کننده، شیب کف، عمق پایاب و … می­باشد. برای آنکه اثر تمام این پارامتر­ها روی عملکرد حوضچه بررسی شود لازم است در یک تحقیق تمام این پارامتر­ها بصورت توأم تغییر کنند و با بررسی آبشستگی پایاب تاثیر این پارامتر­ها روی عملکرد حوضچه بررسی شوند اما با توجه‌ تعداد زیاد پارامتر­ها و  درنتیجه حجم زیاد آزمایش­ها در این تحقیق در مورد تعداد زیادی از این پارامتر­ها از نتایج تحقیق سایر محققین استفاده شد و اثر زاویه دیوار، شیب کف، طول حوضچه و عمق پایاب روی آبشستگی پایین دست بررسی شد. نتایج حاصل به طور مختصر عبارتند از:

1- عملکرد حوضچه معرفی شده توسط گوئل و همکاران از حوضچه استاندارد تیپ شش انجمن آبادانی امریکا بهتر است زیرا آبشستگی کمتری ایجاد می­کند و عملکردی مستقل­تر در مقابل تغییر تراز آب پایاب از خود نشان می­دهد.

2- با تغییر جزئی زاویه دیوار نصب شده در حوضچه گوئل و همکاران می­توان عملکرد آن را بهبود داد و چنانچه زاویه دیوار در جهت مثبت معرفی شده در فصل چهارم بچرخد باعث کاهش آبشستگی پایاب می­شود، نتایج نشان داد زاویه 20 درجه در جهت مثبت مستقل از فرود جریان ورودی یک زاویه بهینه برای کاهش آبشستگی پایین دست حوضچه می­باشد.

3- در این تحقیق نشان دادیم در صورتی که در کف حوضچه شیب معکوس ایجاد شود بار دیگر زاویه مثبت 20 درجه دیوار مستقل از فرود جریان یک زاویه بهینه برای کاهش آبشستگی پایاب می­باشد و ایجاد شیب معکوس می­تواند باعث کاهش بیشتر آبشستگی شود اما با افزایش شیب کف از 1:20 به 1:10 تغییر چندانی در عملکرد حوضچه حاصل نمی­شود.

4- همانطور که در بند­های قبلی گفته شد با توجه به بهبود عملکرد حوضچه نسبت به حوضچه گوئل و USBRدر این تحقیق امکان کاهش طول حوضچه فراهم شده است. نشان دادیم در صورتی که طول حوضچه به میزان 20 درصد کاهش پیدا کند عملکرد حوضچه جدید با زاویه دیوار 20 درجه و شیب کف 1:20، 45 درصد نسبت به حوضچه USBR و 36 درصد نسبت به حوضچه گوئل و همکاران بهتر است و این نشان دهنده صرفه اقتصادی و کارایی بیشتر این حوضچه است.

5- در پایان این تحقیق نشان دادیم حوضچه گوئل با زاویه دیوار 20 درجه،  شیب کف 1:20 و 20 درصد طول کمتر نسبت به حوضچه USBR و گوئل و همکاران در تراز­های آب پایاب کمتر از عمق نرمال آبشستگی کمتری ایجاد می­کند و با این که طول کمتری دارد نسبت به تغییر تراز آب پایاب عملکرد مستقل­تری دارد.

فهرست مطالب

فصل اول 1
1-1 مقدمه 2
1-2 اهمیت و ضرورت انجام تحقیق 3
1-3 سوالات عمده تحقیق 4
1-4 تعریف واژهها و اصطلاحات فنی و تخصصی 5
1-4-1 عدد فرود 5
1-4-2 آبشستگی 5
1-4-2-1 انواع آبشستگی 5
1-4-2-1-1 آبشستگی عمومی 6
1-4-2-1-2 آبشستگی تنگ شدگی 6
1-4-2-1-3 آبشستگی موضعی 7
1-4-2-1-4 آبشستگی کل 7
1-4-2-1-5 آبشستگي در آب زلال و آب حاوي رسوب 8
1-4-3 آستانه لغزش ذرات 9
1-5 معرفی عمومی فصلهای پایان نامه 9
فصل دوم 11
2-1 مقدمه 12
2-2 سابقه تحقیق 12
2-2-1 سابقه تحقیق در ایران 12
2-2-2 سابقه تحقیق در سایر کشورها 12
2-2-2-1 حوضچه های آرامش پرش هیدرولیکی (Hydraulic Jump Stilling Basin) 13
2-2-2-2 حوضچه آرامش در خروجی لوله ها از طریق شیر 14
2-2-2-3 حوضچه استاندارد USBR Type VI 15
2-2-2-4 حوضچه آرامش Contra Costa 17
2-2-2-5 حوضچه آرامش Grade 19
2-2-2-6 حوضچه های آرامش گوئل و همکاران 21
فصل سوم 27
3-1 مقدمه 28
3-2 ابزار و امکانات مورد استفاده 28
3-3 کالیبره کردن فلوم 29
3-3-1 کالیبره کردن شیب 29
3-3-2 کالیبره کردن دبی 30
3-4 مطالعات اولیه 32
3-5 معرفی فاکتور عملکرد 34
3-6 ساخت مدل آزمایشگاهی 35
3-6-1 مدل سازی حوضچه تیپ شش انجمن آبادانی امریکا در خروجی لوله ها 36
3-6-2 ساخت حوضچه آرامش با نتایج تحقیقات دکتر گوئل و همکاران 38
3-7 دانه بندی مصالح 45
3-8 عمق نرمال پایاب 46
3-9 کنترل نوع آبشستگی در پایاب 51
3-9-1 روشهای تنش برشی 51
3-9-2 روشهای سرعت بحرانی 51
3-10 مشخصات هیدرولیکی مدل 53
3-11 روند کلی انجام آزمایشها 54
فصل چهارم 57
4-1 مقدمه 58
4-2 تعیین مدت زمان انجام هر آزمایش 58
4-3 بررسی شکل کلی حفره آبشستگی 60
4-4 مقایسه حوضچه آرامش گوئل و همکاران با حوضچه تیپ شش انجمن آبادانی امریکا 61
4-5 بررسی اثر زاویه دیوار حوضچه آرامش گوئل روی عملکرد آن 64
4-6 بررسی اثر شیب معکوس کف حوضچه روی عملکرد آن 68
4-7 کاهش طول حوضچه 73
4-8 بررسی پایداری عملکرد حوضچه نسبت به تراز آب پایاب 75
فصل پنجم 79
5-1 نتیجهگیری 80
5-2 پیشنهادات 81
فهرست مراجع 83

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا مشکل مورد بررسی قرار گیرد. دیجی لود متعهد میشود که هر طور شده فایل خریداری شده ، به دست شما خواهد رسید.

برای دانلود فابل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.