علوم آب و خاک

سرریزهای کلیدپیانویی شکل جدیدی از سرریزهای منقاری و به صورت غیرخطی هستند. به دلیل راندمان زیاد این سرریزها در ظرفیت عبور جریان، بررسی آبشستگی موضعی و راهکار برای کاهش آن دارای اهمیت فراوانی است. در پژوهش حاضر، برای اولین‌بار به بررسی آبشستگی موضعی در پایین‌دست سرریز کلیدپیانویی ذوزنقه‌ای نوع B پرداخته شد. سرریز در فاصله 5/50 متری از ابتدای کانال نصب شد و دارای ارتفاع 0/20 متر و سه سیکل (سه کلید خروجی، دو کلید ورودی و دو نیم‌کلید ورودی) است. از سه عمق پایاب و سه دبی جریان مختلف نیز استفاده شد. با افزایش عدد فرود ذرات و دبی جریان و کاهش عمق پایاب، بیشینه عمق آبشستگی افزایش می‌یابد. محدوده پارامتر بدون بعد عدد فرود ذرات در پژوهش حاضر بین 1 تا 2 متغیر است. همچنین از دو مصالح بستر شن و ماسه استفاده شد. با افزایش قطر مصالح بستر، بیشینه عمق آبشستگی کاهش خواهد یافت. شاخص آبشستگی در مصالح بستر شن به‌مراتب کمتر از مقدار شاخص آبشستگی در مصالح ماسه بوده و به این معنا است که خطر واژگونی سرریز در مصالح بستر شن بسیار کمتر است.

سرریزهای زیگزاگی با افزایش طول تاج در یک محدوده عرضی مشخص، موجب افزایش ظرفیت آبگذری سرریز می‏شوند. در این میان نباید از تأثیر افت هیدرولیکی در روند عملکرد هیدرولیکی سرریزها غافل شد و در همین راستا در پژوهش حاضر به‌منظور بررسی افت هیدرولیکی سرریزها و نیز ضریب آبگذری آن‌ها از یک فلوم آزمایشگاهی به طول 8 متر، عرض 0/6 متر و ارتفاع 0/6 متر استفاده شد. سرریزهای مورد استفاده در این پژوهش از نوع زیگزاگی با پلان قوسی و خطی بودند. آنالیز ابعادی به روش باکینگهام نشان داد که ضریب آبگذری (Cd) تابع پارامترهایی همچون نسبت هد هیدرولیکی (Ht/P)، فاکتور شکل سرریز (Sf)، نسبت افت هیدرولیکی (Hf/P) و عدد فرود (Fr) بوده است. نتایج نشان داد افزایش هد هیدرولیکی موجب کاهش ضریب آبگذری در سرریزها شده است. علاوه‌بر این شدت تداخل تیغه‌های عبوری جریان از روی سرریزها به‌تدریج و با افزایش هد هیدرولیکی موجب افزایش افت هیدرولیکی شده است. افزایش افت هیدرولیکی تا حد مشخصی از هد هیدرولیکی اتفاق افتاد و بعد از آن سیر کاهشی به خود گرفت. در این صورت می‌توان گفت نمودار افت هیدرولیکی برای سرریزهایی همچون ARCL روند سینوسی داشت. در نسبت هد هیدرولیکی 0/4، سرریز ARCL نسبت به سرریز APKW به میزان 227/7 درصد دارای افت هیدرولیکی بیشتری بود. در نسبت هد هیدرولیکی 0/6، سرریز RCL نسبت به سرریز PKW به میزان 200 درصد دارای افت هیدرولیکی بیشتری بود. روند تغییرات افت هیدرولیکی نسبت به افزایش عدد فرود در سرریزهای ARCL و RCL به‌صورت سینوسی بود. سرریز ARCL نسبت به دیگر سرریزها، به‌ازای افزایش عدد فرود دارای بیشترین افت هیدرولیکی بود. تمامی سرریزهایی که با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D مدل‌سازی شدند، دارای مقادیری (Cd و Hf/P) بیش از مقادیر حاصل از مدل‌سازی فیزیکی بودند و این از نظر فاکتور ایمنی دارای اهمیت است؛ علاوه‌بر آنکه میزان خطا در مدل‌سازی عددی بسته به پارامترها و شرایط مختلف متفاوت است، اما به‌طور متوسط در محدوده 10% تا 30% قرار داشت. مقدار خطا برای سرریزهای زیگزاگی در برخی موارد بیشتر از سرریزهای کلیدپیانویی بود.

یکی از چالش‌های اساسی در طراحی سرریزهای جانبی، افزایش راندمان تخلیه سرریز است که به‌صورت نسبت بدون بعد دبی عبوری از سرریز به دبی جریان ورودی تعریف می‌شود. این پژوهش با هدف بررسی تأثیر صفحات جانبی هدایت‌کننده بر عملکرد هیدرولیکی سرریز جانبی همگرا انجام شد. برای این منظور، از نرم‌افزار FLOW-3D به منظور شبیه‌سازی جریان در حضور صفحات با زوایا، طول‌های نسبی (نسبت طول صفحه به عرض کانال بالادست) و موقعیت‌های مختلف نصب استفاده شد تا شرایط بهینه نصب صفحه از نظر هیدرولیکی شناسایی شود. پس از اعتبارسنجی مدل با داده‌های آزمایشگاهی، ۲۸ سناریو ارزیابی شد. نتایج نشان داد که نصب صفحات جانبی می‌تواند در شرایط مناسب، راندمان تخلیه را به طور قابل توجهی افزایش دهد. در این میان، ترکیب زاویه ۶۰ درجه (دافع) و طول نسبی 0/2، در موقعیت ابتدایی سرریز (X₁)، بهترین عملکرد را ارائه داد و راندمان را از مقدار پایه 62% در حالت شاهد (بدون صفحه جانبی) به 82% ارتقا داد. بررسی الگوی سرعت جریان نیز نشان داد که شکل‌گیری ناحیه کم‌سرعت در پایین‌دست صفحه، نقش کلیدی در هدایت مؤثر جریان به سمت سرریز ایفا می‌کند. به طور کلی، استفاده از صفحات جانبی می‌تواند به‌عنوان راهکاری ساده، کم‌هزینه و مؤثر برای بهبود عملکرد سرریزهای جانبی همگرا استفاده شود.