تأثیر شکل آبپایه انتهایی بر عمق و شاخص آبشستگی پایین‌دست حوضچه آرامش نوع USBR VI

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
2 - استاد هیدرولیک، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست و پژوهشکده مهندسی آب، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
چکیده
حوضچه ­های آرامش جهت استهلاک انرژی جریان خروجی از کانال­ها، شوت­ها و کالورت­ها در انتهای این سازه­ ها تعبیه می­شوند. یکی از انواع حوضچه­ های آرامشی که در آن استهلاک انرژی جریان خروجی توسط ضربه صورت می­گیرد، حوضچه آرامش استاندارد نوع VI USBR است. برخلاف دیگر حوضچه­ های آرامش، مطالعات صورت گرفته اطراف این نوع حوضچه محدود بوده و هنوز ویژگی­های بسیاری از این نوع حوضچه باقی است که در مطالعات پیشین مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله تأثیر شکل آبپایه انتهایی بر عمق حفره آبشستگی پایین‌دست این حوضچه آرامش مورد مطالعه قرار گرفت. در طراحی آزمایش­ها پارامترهای عدد فرود جریان ورودی به حوضچه، قطر لوله ورودی (سه قطر 5، 8 و 12 سانتی­متری) و سه شکل آبپایه انتهایی (مثلثی، پله­ای و ربع دایره­ای) در قالب 27 آزمایش جهت مطالعه عمق آبشستگی مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که در محدوده عدد فرود 2 تا 6، آبپایه ربع دایره­ای کمترین عمق آبشستگی و کمترین مقدار شاخص آبشستگی را دارا است. در محدوده عدد فرود 9 تا 14، آبپایه مثلثی کمترین شاخص آبشستگی را ایجاد می­کند. در نسبت عرض حوضچه به قطر معادل جت ورودی به حوضچه برابر 10/16 و برای اعداد فرود 9/27 و 13/91، کمترین شاخص آبشستگی متعلق به آبپایه مثلثی شکل است. همچنین در هر سه آبپایه انتهایی، کاهش قطر جت منجر به کاهش عمق حداکثر آبشستگی می­گردد. نکته مهم دیگر آن بود که پشته رسوبی تنها در آزمایش­ها با لوله 5 سانتی­متری و برای عدد فرود روی منحنی ایجاد گردید. ارتفاع پشته رسوبی و عمق حداکثر آبشستگی در آبپایه پله­ای از همه بیشتر و در آبپایه ربع دایره­ای از همه کمتر بدست آمد. در نهایت روابط بدون بعدی برای تخمین عمق حفره آبشستگی بر حسب پارامترهای عدد فرود جریان ورودی به حوضچه و نسبت عرض حوضچه به قطر معادل جت ورودی به حوضچه برای هر سه شکل آبپایه ارائه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Effect of Endsill Shape on Scouring Depth and Index Downstream of USBR Type VI Stilling Basin

نویسندگان English

Shokoufeh Kheirehdast 1
Masoud Ghodsian 2
1 Graduated MSc of Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering and Environment, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
2 Professor, Faculty of Civil Engineering and Environment and Water Engineering Research Institute, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
چکیده English

Stilling basins are used in the outlet of channels, chutes and culverts to dissipate the excess kinetic energy of incoming flow. One of the basins in which the energy of incoming flow is dissipated by impact, is USBR VI stilling basin. The USBR VI stilling basin was first introduced by Bradely and Peterka in 1995 and then was modified by Biechley in 1978. This structure consists of a middle wall and an endsill. Scouring around the structures that are located in the vicinity of erodible beds, such as stilling basins, has always been one of the most important problems related to these structures. Unlike other types of stilling basins, the studies carried out around this type of basin are limited, and there are still many hydraulics features of this type that have not been considered in previous researches.

In this article, the effect of the shape of endsill on scour depth downstream of stilling basin is evaluated. Based on Beichley graph (Standard Design), the physical model of stilling basin was designed, constructed and installed in the hydraulic laboratory of Tarbiat Modares. Experiments were conducted in a 0.8 m wide, 0.9 m height, and 0.8 m length rectangular channel. The pump used in the experiments had a nominal flow rate of 400 cubic meters per hour (about 120 liters per hour), a head of 11.7 meters, a power of 22 horsepower, and an engine speed of 1450 rpm. In the design of experiments, the parameters including approach Froude number (i.e. 1, 1.5 and 2 times of standard Froude number on Beichley graph), the diameter of inlet pipe (i.e. De = 5, 8, and 12 centimeters), and endsill shapes (triangular, stepped and circular quadrant), in the form of 27 tests were assessed to study the dimensions of the scour depth.

The observations revealed that in all three endsill shapes, the increase in Froud number has led to the decrease in scour index. the circular quadrant endsill had the lowest scour depth in the front of endsill and the least scour index, in the range of the Froude number of 2 to 6. In the range of the Froude numbers of 9 to 14, the triangular endsill causes the lowest scour index. In the relative diameter of inlet pipe equals to 10.16, for Froud numbers equal to 9.27 and 13.91, the triangular shaped endsill has the least scour index. in every endsills, decreasing the pipe’s diameter results in the maximum depth of the scour. Another important finding is that sediment bar is only formed in experiments conducted with inlet pipe’s diameter equal to 5cm for Froude number equal to Froude number on Beichley graph. The biggest amounts of the height of sediment bar and maximum scour depth are found for the stepped endsill and the smallest amounts of the height of sediment bar and maximum scour depth are found for the circular quadrant endsill. Subsequently, the non-dimensional equations according to the Froud number of incoming flow and the relative diameter of inlet pipe, were presented to estimate the maximum depth of the scour hole.

کلیدواژه‌ها English

Stilling Basin USBR VI
Endsill
scour
Behnamtalab, E. (2016). Experimental and numerical investigation of flow field and scouring at USBRVI stilling basin, PhD Thesis, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University 155 p. (in Persian)
Beichley, G., 1978 .Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or Channel Outlets ,Denver: USBR
Goel, A. and Verma, D.V.S., 2001. Model studies on stilling basins for pipe outlets. Irrigation and Drainage Systems, 15(1), pp.81-91
Goel, A. and Verma, D.V.S., 2006. Alternate designs of stilling basins for pipe outlets. Irrigation and drainage systems, 20(1), pp.139-150
Goel, A., 2007, December. Experimental study on stilling basins for square outlets. In Proceeding 3rd International Conference on Applied and Theoretical Mechanics, Spain (pp. 14-16)
Saber, M. (2020). Experimental investigation on scour downstream of USBR VI stilling basins, Journal of Hydraulics, 14(4), pp.137-148
Tiwari, H.L., Gahlot, V.K. and Tiwari, S., 2013. Reduction of scour depth downstream of pipe outlet stilling basin using end sill. International Journal of Engineering Sciences, 2(7), pp.20-25
Tiwari, H.L., Goel, A. and Gahlot, V.K., 2011. Experimental Study of effect of end sill on stilling basin performance. International Journal of Engg. Sci. and Technology, 3(4), pp.3134-3140
Verma, D.V.S. and Goel, A., 2000. Stilling basins for pipe outlets using wedge-shaped splitter block. Journal of irrigation and drainage engineering, 126(3), pp.179-184
Verma, D.V.S. and Goel, A., 2003. Development of efficient stilling basins for pipe outlets. Journal of irrigation and drainage engineering, 129(3), pp.194-200
Verma, D.V.S., Goel, A. and Rai, V., 2003. NEW STILLING BASINS DESIGNS FOR DEEP RECTANGULAR OUTLETS. International Journal of Engineering-Transactions A: Basics, 17(1), p.1