ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگشونده تحت شرایط هیدرولیکی مختلف

Transcript

1 نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 4 صفحههای 91 تا 14/ سال 1396 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگشونده تحت شرایط هیدرولیکی مختلف الهام روشنی 1* علی حسین زاده دلیر 2 داود فرسادی زاده 2 فرزین سلماسی 3 تاریخ دریافت: 95/1/19 تاریخ پذیرش: 96/2/2 1 -دانشجوی دکتری تخصصی گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز 2 -استاد گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز 3 -دانشیارگروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز * مسئول مکاتبات پست الکترونیکی: elhm.roshani@gmail.com چکیده در آبراهههای آبرفتی ضریب زبری یکی از پارامترهای مهم در مطالعه ویژگیهای جریانهای رسوبی در رودخانهها میباشد. این ضریب بستگی مستقیم به ارتفاع فرم بستر ناشی از شرایط هیدرولیکی جریان دارد. در تحقیق حاضر بهمنظور بررسی اثر تبدیلهای تنگشونده بر روی زبری بستر از سه نوع تبدیل با زاویههای جریان ورودی نسبت به دیواره کانال بهاندازه 1 5 و 15 درجه استفاده شد. در هر نوع تبدیل پس از انجام آزمایش و با پایین رفتن تدریجی سطح آب پروفیل بستر رسوبی برداشت شد و ارتفاع فرم بستر بهدست آمد. نتایج بهدست آمده نشان داد که کاهش عرض کانال بهکمک تبدیلها اثر قابل مالحظهای اوال بر روی ارتفاع فرم بستر ریپل و ثانیا بر روی ضریب زبری جریان داشت. همچنین عدد فرود در تمامی آزمایشها در محدوده 1/5-/2 قرارداشت. نتایج نشان داد با افزایش زاویه قسمت ورودی تبدیل از 5 درجه تا 15 درجه و اساسا با قرارگیری تبدیل در فلوم نسبت به حالت بدون تبدیل در دبی 1- s 1 L ضریب زبری در حدود % 17/5 کاهش و در دبی 1- s 14 L ضریب زبری در حدود % 11 افزایش نشان داد. واژههای کلیدی: ارتفاع ریپل بسترهای آبرفتی کاهش عرض جریان ضریب زبری مقاومت

2 / 4 سال 1396 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 92 Evaluation of Roughness Coefficient in Convergence Transition under Various Hydraulic Conditions E Roshani 1*, A Hossienzade Dalir 2, D Farsadizade 3, F Salmasi 4 Received: 7 April 216 Accepted: 22 April Ph.D. Student, Dpet. of Water Engineering, Univ. of Tabriz, Iran 2,3-Prof., Dept. of Water Engineering, Univ. of Tabriz, Iran 4- Assoc. Prof., Dept. of Water Engineering, Univ. of Tabriz, Iran * Corresponding Author, elhm.roshani@gmail.com Abstract: In alluvial streams, roughness coefficient (RC) is one of the essential parameters which should be considered in study of sediment flows in rivers. The height of bedforms directly affects RC based on flow hydraulic conditions. In this research some experiments were done to evaluate the effects of convergence transition on the roughness coefficient. Three kind of transitions with different angles of inflow direction to the flume wall were used (5, 1 and 15 degrees). In each transition after the completion of the test and slow draw down of the water level, the sediment profile of the bed was recorded and the bedform height was determined. The results showed that the channel width reduction in transitions had a significant effect firstly on the ripple bedform height and secondly on the RC of the flow. The oud number in the all of experiments was in the range of With increase of the transition angle from 5 to 15 degrees, at the discharge of 1 L S -1, the RC was reduced about 17.5 percent and in the discharge of 14 L S -1 it was increased about 11 percent. Keywords: Alluvial beds, Flow width reduction, Resistance, Ripple height, Roughness coefficient. مقدمه حرکت تودهای ذرات رسوبی در محیط سیال در یک بستر طبیعی با جنس رسوبات مشابه انتقال رسوب نامیده میشود. زمانی که سرعت برشی کمی بیشتر از مقدار بحرانی آن میشود ذرات شروع به غلطیدن و لغزیدن بر روی بستر کرده و دائما با بستر در تماس هستند. با افزایش سرعت برشی ذرات دچار پرشهای منظم میشوند که به حرکات جهشی موسوم هستند. تحت شرایط هیدرولیکی مختلف حرکت رسوبات در بستر جریان قادر است مقاومتی در مقابل جریان آب ایجاد کند. در بسترهای آبرفتی ضریب زبری از چهار بخش تشکیل میشود: 1( زبری ذرات 2( زبری ناشی از فرم بستر 3( زبری ناشی از بارمعلق و 4( زبری ناشی از بار بستر. در این تحقیق بار معلق وجود ندارد و هدف مطالعه زبری ناشی از ذرات بههمراه فرم بستر تشکیل شده در حضور تبدیلهای کاهشدهنده عرض کانال است. کاهش عرض کانال در مقطعی از آن باعث تغییر شرایط هیدرولیکی جریان شده و مستقیما بر روی نحوه شکلگیری فرم بستر و خصوصیات هندسی آن اثر میگذارد. بنابراین بررسی اثر شرایط هیدرولیکی مختلف در تشکیل فرم بستر با وجود این تبدیلها میتواند بهنتایج مفیدی در این زمینه منجر شود. در زمینه انتقال رسوب گراف و سوزکا )1987( یالین )1972( برای رژیم رودخانه ون راین و همکاران )1993( و ون راین )b وa 1984 و 27(

3 93 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط... برای رژیم ساحلی مطالعه نمودند. رکینگ و همکاران )28( برای بررسی بهتر مقاومت جریان ضریب زبری را بهصورت خطی تجزیه کردند. در این حالت ضریب زبری f شامل مجموع ضریب زبری مرتبط با جریان آب زالل ( c f( و ضریب زبری مرتبط با بار بستر ( b f( شد. کریم )1999( در مطالعه خود بهبررسی و پیش بینی ارتفاع نسبی ( h( ) h d ارتفاع فرم بستر و d عمق جریان( فرم بسترهای مختلف پرداخت. وی براساس افت انرژی که بر اثر نیروی درگ ناشی از فرم بستر ایجاد میشود و با توجه به افت کلی بار آبی به پیشبینی ارتفاع نسبی فرم بستر پرداخت. امید و همکاران )21( بهبررسی تأثیر حرکت بار بستر بر روی مقاومت جریان با داشتن دونهای مصنوعی پرداختند. آزمایشها در دو حالت جریان آب زالل و همراه با رسوبات با اعماق و سرعتهای مختلف جریان انجام شد. نتایج آنها نشان داد که انتقال ذرات رسوبی نرم در بستر صاف تا 22 درصد و در بستر زبر تا 24 درصد ضریب مقاومت جریان را کاهش میدهد. چگینی و پندر )212( بهبررسی آزمایشگاهی شرایط جریان یکنواخت بر روی حرکت رسوبات مختلف ریزدانه و فرمهای تشکیلشده آن پرداختند. شیب جریان در سه حالت کم متوسط و تند قرارداشت و آشفتگی نزدیک بستر برروی انتقال رسوبات و تشکیل فرمهای بستر بررسی گردید. نتایج آنها حاکی از آن بود که بار بستر و فرمهای تشکیل شده مرتبط با آن با افزایش مقدار شیب بستر جریان و نسبت عمق آب بهاندازه ذرات تغییر میکنند. اسماعیلی و همکاران )1388( بهبررسی تأثیر فرم بستر بر روی ضریب زبری بهکمک تلفیق روش عددی و آزمایشگاهی در جریانهای غیرماندگار پرداختند. آنها مجموعهای از آزمایشها برای بررسی اثر تغییر فرم بستر در آبراهههای آبرفتی بر میزان رسوب کف انتقالی در یک کانال آزمایشگاهی با قابلیت شیبپذیری و تحت شرایط جریان غیرماندگار انجام دادند. سیمونس و ریچاردسون )1965( بهمنظور محاسبه میزان رسوبات انتقالی در جریان همراه با فرم سرعت حرکت فرم بستر در جهت جریان و ارتفاع متوسط فرم بستر را بهکمک پروبهایی اندازهگیری و قرائت کردند. کولمن و ملویل )1994( در آزمایشهای خود پروفیل بستر را در بازههای زمانی مشخص اندازهگیری کردند تا تغییرات بستر را بر اثر جریان آب تشخیص دهند. براساس نتایج آنها سرعت انتشار فرم بستر با افزایش ارتفاع فرم بستر کاهش مییابد. وو و وانگ )1999( با ارتباط دادن چندین پارامتر هیدرولیکی و رسوبی با یکدیگر بهتخمین ضریب مانینگ پرداختند. بنت و بریج )1995( دینامیک و هندسه فرم بسترها را در حالت رسوبات ناهمگن بررسی کردند. سوتارد و باکیچوال )1973( بهارائه دیاگرامی براساس سرعت متوسط جریان اندازه ذرات و نوع فرم بستر تشکیل شونده پرداختند. وندیتی و همکاران )25( در مطالعهای بهبررسی نحوه شروع حرکت ذرات رسوبی پرداخته و آن را بهدو دسته تقسیم کردند. دسته اول حرکات ناقصی بودند که در سطوح پایین جریان اتفاق افتاده و بهصورت پراکنده هستند اما دسته دوم که به حرکتهای فوری موسومند شامل حرکت تودههای رسوبات بوده که در سطوح باالتر جریان اتفاق افتاده و حجم بیشتری از رسوبات را انتقال میدهند. الجونس و همکاران )21( بهکمک سیستم تصویربرداری با سرعت باال توانستند حرکت ذرات رسوبی را با دقت باال دیده و دورههای حرکتی آنها را شامل پرواز ذرات افزایش سرعت و در نهایت دوره استراحت آنها را تعیین و مشاهده نمودند. کشاورزی و همکاران )212( بهکمک تحلیل تصاویر بهبررسی مکانیزم حرکت ذرات در ریپل پرداختند و زانگ )1999( بهکمک همین تکنیک بهبررسی ابعاد و ویژگیهای تشکیل دونها پرداخت. کانل و همکاران )26( بهبررسی ابعاد فرم بسترها در حالت ترکیب رسوبات شن و ماسه پرداختند. بر طبق تحقیقات ویلیامز )197( که آزمایشهایی را برای بررسی تأثیر عرض و عمق آب بر روی نرخ انتقال رسوبات انجام داد عرض انتخابشده برای فلوم مناسب بوده و تأثیری بر شرایط و نتایج نخواهد داشت. بر طبق نتایج وی تنها در عرض /25 فوت بود که بیشترین انحراف از دبی واحد بهمیزان 8 تا 12 درصد مشاهدشد و در سایر حالتها این 6 تا مقدار بین درصد گزارش شدهبود. عرض

4 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 4 سال انتخابشده فلوم معادل با 1/69 فوت است که در محدوده مطلوب از لحاظ تأثیر ناچیز عرض خواهندبود. همچنین این نکته در مورد عرض کاهش یافته که بهمقدار /98 رسیده نیز صدق میکند. هدف از انجام این تحقیق بررسی تأثیر ارتفاع فرم بستر ریپل و همچنین تبدیلهای شونده ت گن بر روی ضریب زبری جریان بوده تا مشخص گردد که پارامترهای هیدرولیکی جریان چگونه در زوایای مختلف تبدیلها و تحت شرایط هیدرولیکی مختلف میتوانند زبری را تغییر دهند. مواد و روشها آزمایشهای تحقیق حاضر در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه فلوم مورد استفاده دارای طول عرض 6m ارتفاع تبریز انجامشد. 5cm 8cm آزمایش عرض آن به و میباشد که بهمنظور تسهیل در انجام 5cm کاهش یافت )شکل 1 (. همچنین در شکل 1 زاویه α )زاویه بخش ورودی تبدیل با دیواره کانال( قابل مشاهده است. تبدیلها بهکمک ورقهای گالوانیزه ساخته شدند. ذرات رسوبی با مشخصات D 5 =.86 mm و G s = 2.3 مورد استفاده قرارگرفت. جریان رسوب بهصورت بستر زنده بوده و از باالدست جریان همراه با جریان آب بهصورت منظم رسوب نیز بهداخل فلوم تزریق گردید. نرخ تزریق رسوبات بهداخل کانال براساس آزمایشهای متعددی که در مراحل اولیه انجام شدهبود مطابق با نرخ برداشت رسوبات از تله ماسه در نظر گرفتهشد. سطح آب بهکمک اشلهایی که در دیواره شیشهای فلوم نصب شده بود قرائت گردید. بهکمک یک تله ماسه که در انتهای فلوم نصب شده بود میزان رسوب منتقلشده پس از خشک کردن توزین شد تا دبی رسوب مشخص گردد )شکل 2(. شکل 1- نمایی از فلوم مورد استفاده بههمراه تبدیل تنگشونده. شکل 2- تله ماسه نصبشده در انتهای فلوم. دبی رسوبی کانال بر اساس میزان رسوباتی که در تله ماسه جمع شده بود بهدست آمد. بهاین صورت که در هر آزمایش تزریق رسوبات بر اساس مقدار ماسهای که در تله ماسه جمع میشود انجام میشد. تزریق میزان رسوبات از نتایج آزمایشهای پیشین منتج شد. از این رو میتوان بیان کرد که دبی بار بستر تقریبا برابر با دبی تزریق شده خواهدبود. ضخامت بستر سانتیمتر بود. این ضخامت بر مبنای رسوبی بیشینه 15 V میزان آبشستگی که در آزمایشهای مقدماتی مشاهده شده بود تعیین گردید. بهکمک روش ونونی و بروکس )1957( اثر دیوارهها بر روی شعاع هیدرولیکی کاهش یافت و از شعاع هیدرولیکی اصالح شده استفاده شد. در ابتدای هر آزمایش بستر رسوبی با استفاده از ابزار صاف کننده تا حد امکان صاف می گردید. آزمایشها با سرعت نسبی = انجام گرفت و تا زمانی ادامه یافت که V c بستر بهحالت تعادل رسیده باشد. عدد رینولدز برشی U. D 5 /ν( U که جهت جریان α سرعت برشی بستر میباشد( در

5 95 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط... محدوده 2 الی 1 بود و بستر از نظر هیدرولیکی در حالت زبر قرار داشت. الزم بهذکر است که حرکت رسوبات فقط بهصورت بار بستر بوده و هیچگونه بار معلقی وجودنداشت. دبی در طول آزمایش ثابت بوده و آزمایشها در شرایط ماندگار صورت گرفت. مدت زمان آزمایشها یا حالت تعادل بهگونهای انتخاب گردید که هم تغییرات توپوگرافی در محدوده کانال بهتعادل نسبی برسد و هم ارتفاع فرم بستر به بیشینه مقدار خود رسیده باشد. در حقیقت معیار تعادل به این صورت بود که تغییرات ارتفاع فرم بستر ناچیز بوده و فرم بستر دیگر تمایلی به افزایش ارتفاع نداشته و فقط حرکتهای رو به جلو دیده میشد. در این مقطع زمانی زمان آزمایشها ثبت میشد. پس از انجام هر آزمایش و با پایین رفتن سطح آب پروفیل بستر بهکمک مترلیزری مدل Leica DISTO D2 اندازهگیری شد. این متر دارای دقت ± /25 میلیمتر در هر متر بود. این دستگاه قابلیت اندازهگیری در دو جهت طولی و عرضی کانال را داشت. اندازه ذرات در حدود 35 برابر دقت متر لیزری است. آزمایشها در سه دبی 1 و 12 و s L تحت شیبهای صفر /6 /9 /12 و /15 انجام پذیرفت. در دو شیب /9 و /12 برای چهار عمق مختلف آب آزمایشها تکرارشد. در جدول 1 خالصهای از آزمایشهای انجام شده قابل مشاهده است. تحلیل ابعادی پارامترهای فوق عبارتند از: y متوسط عمق آب ارتفاع فرم بستر ریپل λ طول فرم بستر ریپل و Ks ضریب زبری. سایر پارامترهای مورد استفاده نیز عبارتند از: α زاویه تنگشدگی تبدیل ρ چگالی آب ρ s چگالی ذرات رسوبی μ ویسکوزیته دینامیک g شتاب ثقل U سرعت متوسط جریان و D s ]1[ قطر متوسط ذرات رسوبی. اگر زبری تابعی از متغیرهای زیر باشد: با استفاده از روش پی باکینگهام میتوان رابطه 1 را به شکل رابطه 2 ساده کرد. f ( K s y, D s y, λ y, y, ρ s ρ, α, R e, F r ) = K s y = f( y, F r, α) ]2[ ]3[ جدول 1- خالصه مشخصات آزمایشها. دبی ( -1 s )L شیب عمق )m( 1 و 12 و 14 زاویه تبدیل صفر d 1 = 5 7 d 3 و = 6 d 2 = 4.5 d 5 و = 8.5 d 4 = 7 T3 15 T2 1 /6 /15 /9 /12 T1 5 )degree( پارامترهای مورد استفاده بهقرار شکل 3 میباشند. شکل 3 - نمایی از پارامترهای مورد استفاده. همچنین الزم به ذکر است که در آزمایشها عدد رینولدز در محدوده تا قرارگرفته که محدوده متالطم و زبر است در نتیجه زبری نسبی مستقل از آن خواهدشد بنابراین از مجموعه پارامترهای مورد مطالعه خارج شد. مشخصات رسوبات از جمله قطر متوسط و چگالی ذرات رسوبی نیز ثابت بود. در شکل 4 نمایی از فرم بسترهای تشکیلشده آورده شده است. λ y با وجود تبدیلها f(k s, y,, λ, D s, α, u, ρ, ρ s, μ, g) =

6 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 4 سال جهت جریان Δ/y.15 بهمنظور مقایسه اثر وجود تبدیلها با حالتی که شکل 5- مقایسه ارتفاع بیبعد فرم بستر تبدیلی در کانال نیست حالت بدون تبدیل نیز بهعنوان حالت شاهد در آزمایشها آزمایش انجام شد. نتایج و بحث بررسی اثر کاهش عرض آورده شد و جمعا 136 در جریان رسوبات بدیهی است زمانی که مقطع کانال تنگ میشود دبی در واحد عرض افزایش یافته لذا الگوی فرمهای بستر تغییر خواهندکرد. از این رو بهمنظور بررسی اثر کاهش عرض بر ارتفاع فرم بستر نمودارهایی برحسب ارتفاع فرم بستر در حالت با تبدیل و بدون تبدیل رسم شد تا مشاهده شود که وجود تبدیلهای کاهش عرض چه تأثیری بر ارتفاع فرم بستر دارد. بررسی این موضوع در شکل 5 دیدهمیشود که در آن ارتفاع فرم بستر در حالت بدون تبدیل با حالتی که تبدیل نوع 1 در کانال قراردارد مقایسه گردید. همانطور که بهدست آمد با کاهش عرض کانال سرعت جریان در مقطع تنگشده افزایش یافته و در کل کانال متوسط ارتفاع فرم بستر در این حالت نسبت به حالت بدون تبدیل افزایش یافت. مقایسه تبدیلها در دو حالت با تبدیل و بدون تبدیل. اصوال تبدیلهایی که باعث کاهش عرض کانال میشوند در دبیهای کم دیوارههای ابتدایی آنها برای حرکت رسوبات همانند یک مانع یا آبشکن عمل کرده و بخشی از شدت جریان آب را بهخود جذب میکنند. این امر سبب میشود که در حالت بدون تبدیل جریان آزادی بیشتری برای ایجاد فرم بستر ریپل داشته و ارتفاع فرم بستر باالتر برود. طبیعی است که اگر این کاهش عرض با شیب تندتری انجام شود اثر ممانعت آن بر روی جریان آب بیشتر خواهد بود. در دبی 1L شدت جریان 1- s بهاندازهای نیست که بتواند بر روی اثر ممانعت تبدیل فائق آید و دیوارهها بخشی از قدرت جریان را گرفته و ارتفاع فرم بستر نسبت به حالت بدون تبدیل کاهش مییابد. دبی 1- s 12 L قدرت بیشتری داشته و ریپلهایی با ارتفاع بیشتری تولیدکردهاست. در نهایت در دبی 1- s L 14 شدت جریان بیشتر شده و جریان با وجود تبدیلهای کاهش دهنده عرض ارتفاع فرم بستر بیشتری ایجادکردهاست. در این تحقیق رابطه ارائه شده توسط ون راین مورد بررسی قرارگرفت و بهکمک آن مقادیر ضریب زبری بهدست آمد. ون راین )1984b( در مطالعات خود بیان کرد که زبری هیدرولیکی که ناشی از سطح بستر متحرک است بهوسیله زبری ذرات و زبری فرم بستر k s,grain.1.5 No Trans. B=5 cm Transition 1 B=3 cm k s,form شکل 4- نمایی از فرم بستر ریپل تشکیلشده با وجود تبدیل با زاویه 5 درجه ایجاد میشود. ون راین در مطالعات خود نشان داد که زبری مؤثر معادل با ذرات

7 97 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط... رسوبی برای بستر مسطح با پارامتر مشخص D 9 میشود که از نتایج حدود 1 فلوم و داده صحرایی بهدست آمده است: k s,grain = 3D 9 ]4[ نتایج مشابهی توسط کامفیوس )1974( = s k 2.5D 9 گالدکی )1975( 9 k s = 2.3D هی )1989( k s = 3.5D 84 و محمود )1971( 84 k s = 5.1D بهدست آمده است. با وجود فرم بستر رابطه تابعی که توسط یالین )1979( مطرح شد مطابق رابطه 5 است که در آن ارتفاع فرم بستر و λ طول فرم بستر است. k s,form = F(Δ, Δ λ ) ]5[ رابطه منتج شده ون راین بهصورت زیر است: k s,form = 1.1Δ(1 e 25φ ) ]6[ که در آن = φ شیب فرم بستر است. با در نظرگرفتن λ ضریب زبری ذرات و زبری ناشی از فرم بستر زبری مؤثر Ks بر روی یک بستر متحرک بهوسیله رابطه 7 بهدست میآید. k s = 3D Δ(1 e 25φ ) ]7[ با توجه به رابطه 7 که توسط ون راین ارائه شده است زبری Ks ارتباط مستقیم با ارتفاع فرم بستر دارد. بنابراین در مورد تبدیلها با زاویههای مختلف چنانچه روند مربوط به ارتفاع فرم بستر را مد نظر داشته باشیم نمودارهای زبری نسبی نیز همان روند را طی میکنند. یعنی اگر ارتفاع فرم بستر نسبت به حالت بدون تبدیل بیشتر یا کمتر شده باشد در مورد زبری نسبی نیز همان روند تکرار میشود. این موضوع در مورد دبیهای 1 و 12 و 14 کامال صادق بود یعنی روند افزایش یا کاهش زبری نسبی نسبت به حالت بدون تبدیل کامال با روند تغییرات ارتفاع فرم بستر یکسان بود که البته در مورد شیبهای مختلف نیز صدق میکرد. در دبی 1 زبری حدود 15 الی % 2 نسبت به حالت بدون تبدیل کاهش داشت. در دبی 1- S 14 L زبری 1 الی % 12 افزایش داشته و دبی تبدیل با زاویه 12 نیز حالتی بینابین داشت. در مورد 15 درجه نمودارهای ارتفاع فرود و زبری نسبی فرود مطابق هم بودند. روند رفتاری زبری نسبی برای تبدیلهای مختلف در دبیها و شیبهای مختلف در شکلهای 6- الف تا 6- ج آورده شده است تا بتوان نحوه تغییر این پارامتر را تحت شرایط هیدرولیکی مختلف بررسی کرد. شکل 6- الف- تغییرات زبری نسبی در. S و =. 9 Q = 1 ب- شکل 6 - تغییرات زبری نسبی در. S و =. 12 Q = 1 پ- شکل NO Trans. Q=1 S=.9 T1 Q=1 S=.9 T2 Q=1 S=.9 T3 Q=1 S= Without Trans. Q=1 S=.12 T1 Q=1 S=.12 T2 Q=1 S=.12 T3 Q=1 S= Without Trans. Q=12 S=.9 T1 Q=12 S=.9 T2 Q=12 S=.9 T3 Q=12 S= تغییرات زبری نسبی در. S و =. 9 Q = 12

8 / 4 سال 1396 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 98 ت- - تغییرات زبری نسبی در نسبی نیز با افزایش دبی بهعلت افزایش یا کاهش ارتفاع فرم بستر مطابق با روند افزایش یا کاهش ارتفاع فرم بستر تغییر میکردند. در حقیقت در مورد افزایش دبی نیز همان روند اتفاق افتاد و بیش از پیش ارتباط مستقیم زبری نسبی با ارتفاع فرم بستر به اثبات رسید. قابل ذکر است که در خصوص محاسبه زبری نسبی هم زبری ذرات و هم زبری ناشی از فرم بستر دخیل بودند اما چنانچه میدانیم ذارت رسوبی با مشخصات ثابتی در داخل فلوم قرارداشتند بنابراین تغییرات ناشی از زبری نسبی مرتبط با ارتفاع فرم بستر خواهد بود Without Trans. Q=12 S=.12 T1 Q=12 S=.12 T2 Q=12 S=.12 T3 Q=12 S= شکل 6. S و =. 12 Q = NO Trans. S=.9 Q=1 NO Trans. S=.9 Q=12 NO Trans. S=.9 Q= Without Trans. Q=14 S=.9 T1 Q=14 S=.9 T2 Q=14 S=.9 T3 Q=14 S= شکل 6 - تغییرات زبری نسبی در. S و =. 9 Q = 14 ث- شکل 7- الف- تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت بدون تبدیل و =. 9 S T1 S=.9 Q=1 T1 S=.9 Q=12 T1 S=.9 Q= تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت تبدیل T1 و =. 9 S. شکل 7 ج- - شکل 6 تغییرات زبری نسبی در. S و =. 12 Q = 14 و بررسی اثر افزایش دبی با توجه به شکلهای 7- الف تا 7- ح در دو شیب /12 برای هر یک از تبدیلها اثر افزایش ثابت 9/ دبی بر روی زبری نسبی بررسی شد. نمودارهای زبری ب Without Trans. Q=14 S=.12 T1 Q=14 S=.12 T2 Q=14 S=.12 T3 Q=14 S=

9 99 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط T1 S=.12 Q=1 T1 S=.12 Q=12 T1 S=.12 Q= تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت تبدیل T1 و =. 12 S. شکل 7 - تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت تبدیل T2 و =. 9 S. پ- ج T2 S=.9 Q=1 T2 S=.9 Q=12 T2 S=.9 Q= شکل T2 S=.12 Q=1 T2 S=.12 Q=12 T2 S=.12 Q= تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت تبدیل T2 و =. 12 S. شکل 7 ت- - تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی چ T3 S=.9 Q=1 T3 S=.9 Q=12 T3 S=.9 Q= در حالت تبدیل T3 و =. 9 S. شکل T3 S=.12 Q=1 T3 S=.12 Q=12 T3 S=.12 Q= تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت تبدیل T3 و =. 12 S شکل 7 - تغییرات زبری نسبی با افزایش دبی در حالت بدون تبدیل و =. 12 S. ث- ح- در مجموعه شکلهای 7- الف تا 7- ت که مربوط به حالتهای چهارگانه بدون تبدیل و با وجود سه تبدیل است با افزایش دبی در یک عدد فرود ثابت )= ) بایستی عمق جریان افزایش یابد. Q = Cons. by gy K s کاهش مییابد که این امر در نمودارها بنابراین پارامتر y NO Trans. S=.12 Q=1 NO Trans. S=.12 Q=12 NO Trans. S=.12 Q= شکل 7

10 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 4 سال نیز مشاهده میشود. البته بایستی دقت نمود که در حالت کلی با افزایش دبی افزایش سرعت ایجادشده و انتظار میرود که ارتفاع ریپلها زیاد شده و در نتیجه زبری K s هم افزایش یابد اما بررسی نمودارها نشان میدهد که این روند تأثیر اندکی داشته و اثر افزایش عمق آب بر روی پارامتر K s y این پارامتر شدهاست. بیشتر است و در نهایت موجب کاهش در حالت شیب =.12 S شرایط در برخی از حالتها تغییر کردهاست. در حالت بدون تبدیل در برخی از آزمایشها در یک عدد فرود ثابت مشاهده میشود که با افزایش دبی پارامتر K s y زیاد شدهاست. احتمال میرود که در چنین حالتهایی اثر افزایش سرعت بر ارتفاع فرم بستر بیشتر شده و در نتیجه زبری در حالت تبدیل با زاویه K s 1 زیاد شدهاست. درجه )تبدیل نوع دوم( میتوان بیشتر این موضوع را مشاهدهکرد. البته الزم بهذکر است که در این حالت نیز در یک عدد فرود ثابت اثر افزایش عمق آب جریان و افزایش زبری بر اثر K s افزایش ارتفاع ریپلها یکسان بوده و در نهایت با اختالف کمی میزان افزایش میشود. بررسی روند شیب K s بر روی پارامتر K s بیشتر مشاهده y /12 در تمامی دبی ها با افزایش شیب از /9 به در حالت بدون تبدیل ارتفاع فرم بستر افزایش یافتهاست. برازش خطوط توپر مربوط به شیب /9 و خطوط خطچین مربوط به شیب /12 میباشد. زمانی که تبدیلها با زاویههای مختلفی در فلوم قراردادهشدند. در مقطع تنگشدگی تغییراتی در خصوص جریان ایجاد نمودند به این نحو که براساس نتایج بهدست آمده در مقطع تنگشده با افزایش شیب سرعت افزایش یافته و این امر موجب شستن بخشی از تاج فرم بستر شده و در نهایت با افزایش شیب در مورد تبدیلها در تمامی دبیها متوسط ارتفاع فرم بستر کم شده است. یعنی با ثابت بودن تمامی پارامترها مانند زاویه تبدیل دبی و خصوصیات ذرات رسوبی تنها با افزایش شیب دو نتیجه کلی بهدست آمد: اول اینکه در حالت بدون تبدیل با افزایش شیب ارتفاع فرم بستر زیاد شد و دوم اینکه در مورد تبدیلها بهعلت افزایش سرعت در مقطع تنگشده از ارتفاع فرم بستر کم شدهاست. میزان کاهش زبری نسبی در مورد تبدیلهای مختلف با دبیهای مختلف با افزایش شیب متفاوت بوده است. بهازای افزایش شیب از مقدار /9 به مقدار /12 کاهش زبری نسبی از محدوده 8 % مربوط به دبی 1 )سرعت -1 s m /15( و تبدیل نوع 1 شروع شده و تا مقدار % 25 در حالت تبدیل نوع 3 و دبی /56( ادامه داشته است. 14 )سرعت -1 s m الزم بهذکر است که در هر یک از شیبهای /9 و /12 چهار عمق مورد آزمایش و مطالعه قرارگرفت و تغییر در عمق جریان موجب تغییر عدد فرود شد. بنابراین براساس اینکه ضریب زبری نسبی ارتباط مستقیم با ارتفاع فرم بستر دارد روند تغییرات زبری نیز مطابق با تغییرات ارتفاع فرم بستر بود. بدین معنا که در حالت بدون تبدیل با افزایش شیب زبری نسبی افزایش یافت و در قرارگیری تبدیلها با زاویههای مختلف با افزایش شیب زبری نسبی کاهش پیدا کرد. شکلهای 8- الف تا 8- ر تغییرات زبری نسبی را با تغییر شیب در حالتهای مختلف نشان میدهد. شکل 8- الف- تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت بدون تبدیل و 1- s L NO Trans. Q=1 S=.9 NO Trans. Q=1 S= Q = 1

11 11 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط T3 Q=1 S=.9 T3 Q=1 S= T1 Q=1 S=.9 T1 Q=1 S= شکل 8 ت- - تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب ب- - تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب Q = 1 در حالت تبدیل 1 وT در حالت تبدیل 3 وT Q = شکل تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب Q = 12 NO Trans. Q=12 S=.9 NO Trans. Q=12 S= شکل 8 پ- - تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب Q = 1 L S -1 در حالت تبدیل 2 وT ث- در حالت بدون تبدیل و 1- s L T2 Q=1 S=.9 T2 Q=1 S= شکل 8 T2 Q=12 S=.9 T2 Q=12 S=.12 NO Trans. Q=14 s=.9 NO Trans. Q=14 S=.12 T1 Q=12 S=.9 T1 Q=12 S= شکل 8 - شکل 8 شکل 8 ج- - تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت وT خ- تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت چ- تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت وT شکل 8- د- تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب وT در در حالت Q = 14 تبدیل 1 تبدیل 2 Q = 12 بدون تبدیل و 1- s L Q = 14 Q = 12 تبدیل 1

12 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 4 سال حالت تبدیل 2 وT L Q = 14 s -1 تبدیل 3 وT Q = T2 Q=14 S=.9 T2 Q=14 S=.12 T3 Q=12 S=.9 T3 Q=12 S=.12.5 شکل 8 - ح- شکل 8 تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت شکل 8- ذ- تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در ر- - تغییرات زبری نسبی با افزایش شیب در حالت تبدیل 3 وT Q = 14 T3 Q=14 S=.9 T3 Q=14 S= k s = e 25 λ شیب فرم بستر λ/ زبری معادل فرم بستر بهمنظور مقایسه نتایج حاضر با مطالعه ون راین )b 1984( نمودار مربوط به دادههای زبری نسبی مؤثر بستر رسوبی بر حسب شیب فرم بستر رسم گردید که در شکل 9 نمایش داده شدهاست. خط ممتد مربوط به زبری ناشی از فرم بستر بهتنهایی بوده که براساس نتایج K s مطالعات ون راین رابطه 1)1.1 = را e 25 λ) خواهد داشت. اما زبری مؤثر بایستی با احتساب زبری ذرات در نظر گرفتهشود که در این حالت محور قائم زبری مؤثر را نشان داده که با تقسیم آن بر ارتفاع فرم بستر زبری نسبی مؤثر بهدست میآید. در شکل مذکور دادههای مربوط به تحقیق حاضر نشان داده شدهاست. طبق این نمودار روند زبری نسبی مؤثر مطابق با نتایج ون راین دیده میشود یعنی با افزایش شیب فرم بستر زبری نسبی مؤثر نیز افزایش یافتهاست. شکل 9- مقایسه زبری معادل فرم بستر. نتیجهگیری کلی با بررسی تغییرات پارامترهای مختلف مشاهده شد که زاویه تبدیل تنگشونده دبی و شیب هر یک بهنحوی بر روی افزایش یا کاهش ارتفاع فرم بستر نقش داشته و مستقیما زبری نسبی کانال را تغییر میدهند. از این مطالعه نتایج زیر بدست آمد: میتوان گفت که با افزایش زاویه تبدیل و اساسا با قرارگیری تبدیل در فلوم نسبت به حالت بدون تبدیل در دبی 1 زبری در حدود % 17/5 کاهش و در دبی 1- s 14 L زبری در حدود % 11 افزایش نشان داد Transition 1 Transition 2 Transition 3 No Trans. زبری نسبی موثر Ks/

13 13 ارزیابی ضریب زبری در تبدیلهای تنگ شونده تحت شرایط... /5 14 با افزایش دبی 1 تا از به از نیز روند لیتربرثانیه تغییرات زبری کامال مطابق با تغییرات ارتفاع فرم بستر بوده و این موضوع در خصوص افزایش شیب /15 نیز صادق بود. بنابراین با /6 بررسی پارامترهای مهم و تأثیرگذار بر روی زبری مشاهده شد که ارتفاع فرم بستر مهمترین پارامتر تأثیرگذار بر روی زبری نسبی بوده است. افزایش عدد فرود بهمیزان 8 سرعت از مقدار تا درصد )یا افزایش /56( منجر به افزایش /15 ارتفاع ریپل به مقدار 73 درصد )افزایش پارامتر y از مقدار تا /3( شده است. تحت شرایط آزمایشگاهی این مطالعه این افزایش تا زمانی بود و که عدد فرود به 1/5 رسیده و =.3 y. S =.15 )1984 از مقایسه نتایج با مطالعه ون راین )b مشاهده شد که روند زبری نسبی مؤثر مطابق با نتایج ون راین بوده به این معنا که با افزایش شیب فرم بستر در حالت کلی زبری نسبی مؤثر نیز افزایش یافته است منابع مورد استفاده Bennett SJ and Bridge JS, The geometry and dynamics of low-relief bedforms in heterogeneous sediment in a laboratory channel, and their relationship to water flow and sediment transport. J Sed Res A65: Chegini AHN and Pender G, 212. Determination of smile size bedload transport and its related bedform under different uniform flow conditions. WSEAS Trans on Envir and Dev 4(8): Coleman SE and Melville BW, Bed-form development. J Hydraul Eng ASCE 12: Esmaieli K, Kashefipoor M and Shafaei Bajestan M, 29. Evaluating the effect of bed form on roughness coefficient by integration of numerical and experimental methods in unsteady flows. J of Water & Soil. 23(3): Gladki H, Discussion of determination of sand roughness for fixed beds. J Hydraul Res 13(2): Graf WH and Suszka L, Sediment transport in steep channels. J Hydrosci Hydr Eng 5(1): Hey RD, Bar form resistance in gravel-bed rivers. J Hydraul Eng 114(12): Kamphuis JW, Determination of sand roughness for fixed beds. J Hydraul Res 12(2): Karim F, Bed-form geometry in sand-bed flows. J Hydraul Eng ASCE 125(12): Keshavarzi A, Ball J and Nabavi H equency pattern of turbulent flow and sediment entrainment over ripples using image processing. Hydrol Earth Syst Sci 16: Kuhnle RA, Horton JK, Bennett SJ and Best JL, 26. Bed forms in bimodal sand-gravel sediments: laboratory and field analysis. J Sedimet 53: Lajeunesse E, Malverti L and Charu F, 21. Bed load transport in turbulent flow at the grain scale experiments and modeling. J. Geophys Res 115: Mahmood K, Flow in Sand Bed Channels. Wat Manag Tec Rep 11, Fort Collins, Colo. Omid M, Karbasi M and Farhoudi J, 21. Effect of bed-load movement on flow resistance over bedforms. Ind Acad Sci 35(6): Recking A, y P, Paquier A, Belleudy P and Champagne JY, 28. Bed-load transport flume experiments on steep slopes. J Hydraul Eng ASCE, 134(9): Simons DB and Richardson EV, Resistance to flow in alluvial channels. Geo Survey, 27: Southardj B and Boxjchwall A, Flume experiments on the transition from ripples to lower flat bed with increasing sand size. J Sedim PetroL 43: Vanoni VA and Brooks NH, Laboratory Studies of the Roughness and Suspended Load of Alluvial Streams. Sed Lab Cali ins of Tech California USA. VanRijn LC, 1984a. Sediment transport, Part1: Bed-load transport. J Hydraul Eng ASCE 11(1): Van Rijn LC, 1984b. Sediment transport, Part 3: Bedforms and alluvial roughness. J Hydraul Eng ASCE 11(12): Van Rijn LC, Nieuwjaar M, Van Der Kaaij T, Nap E and Van Kampen A, Transport of fine sands by currents and waves. J of Waterway Port Coastal Ocean Eng 119(2): Van Rijn LC, 27. Unified view of sediment transport by currents and waves: Initiation of motion, bed roughness and bed-load transport. J Hydraul Eng ASCE 133(6): Venditti JG, Church MA and Bennett SJ, 25. Bedform initiation from a flat sand bed. J Geophys Res 11: Williams PG, 197. Flume width and water depth effects in sediment-transport experiments. USGS Proof paper 562-H. Wu WM and Wang SSY, Movable bed roughness in alluvial rivers. J Hydraul Eng ASCE 125(12):

14 روشنی حسین زاده دلیر و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 4 سال Yalin MS, Mechanics of Sediment Transport, Pergamon Press, Braunschwei, Germany. Yalin MS, Mechanics of Sediment Transport. Pergamon Press New York. Zhang Y, Bed form geometry and friction factor of flow over a bed covered by dunes. Master of Applied Science Degree Uni of Windsor, Canada.