علوم آب و خاک

هدف از انجام این تحقیق، بررسی عملکرد دو دیواره روزنه‌دار در حوضچه آرامش و چگونگی تأثیر آن بر مشخصات پرش هیدرولیکی از قبیل طول غلتاب پرش هیدرولیکی، کاهش عمق ثانویه پرش هیدرولیکی و عمق مورد نیاز پایاب می‌باشد. همچنین فاصله مناسب قرارگیری دو دیواره روزنه‌دار از ابتدای حوضچه آرامش به ازای یک ارتفاع ثابت برای دیواره روزنه‌دار اول و دوم با سطح بازشدگی 50 درصد مشخص گردد. آزمایش‌ها در دبی‌های 47 تا 145 لیتر بر ثانیه و برای اعداد فرود در بازه 6/3 تا 2/11 در قالب 48 آزمایش انجام شده است. نتایج داده‌های آزمایشگاهی بر روی دو دیواره روزنه‌دار نشان داد که زوج دیواره روزنه‌دار در صورتی می‌توانند طول غلتاب پرش را تا حد قابل قبولی کاهش دهند که فاصله بین آنها شرایط را برای ایجاد یک پرش پایدار فراهم کند و با کاهش فاصله بین دیواره‌ها، طول  غلتاب پرش هیدرولیکی الزاما کاهش نمی‌یابد. همچنین زوج دیواره روزنه‌دار عمق ثانویه پرش هیدرولیکی اجباری را تا 8/27 درصد کمتر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی آزاد و طول غلتاب را تا 9/76 درصد کمتر از طول غلتاب پرش هیدرولیکی آزاد در عدد فرود 2/11 رسانده است.

در این مطالعه دقت مدل¬های  ANFISو ANFIS-PSO در برآورد ویژگی¬های پرش هیدرولیکی شامل نسبت اعماق مزدوج، طول نسبی، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی در یک حوضچه آرامش در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ارزیابی شد. این ویژگی¬ها در حوضچه آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی با 4 شیب معکوس، 4 قطر زبری بستر، 4 ارتفاع پله مثبت انتهایی، 3 عدد فرود و 4 دبی اندازه¬گیری شدند. میانگین پارامترهای آماری NRMSE، CRM و R2 برای برآورد ویژگی¬های پرش هیدرولیکی توسط مدل ANFIS، به‌ترتیب 0/059، 0/001- و 0/989 بدر این مطالعه دقت مدل¬های  ANFISو ANFIS-PSO در برآورد ویژگی¬های پرش هیدرولیکی شامل نسبت اعماق مزدوج، طول نسبی، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی در یک حوضچه آرامش در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ارزیابی شد. این ویژگی¬ها در حوضچه آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی با 4 شیب معکوس، 4 قطر زبری بستر، 4 ارتفاع پله مثبت انتهایی، 3 عدد فرود و 4 دبی اندازه¬گیری شدند. میانگین پارامترهای آماری NRMSE، CRM و R2 برای برآورد ویژگی¬های پرش هیدرولیکی توسط مدل ANFIS، به‌ترتیب 0/059، 0/001- و 0/989 بود. درحالی که مقادیر میانگین پارامترهای یادشده برای مدل ANFIS-PSO به‌ترتیب 0/185، 0/002 و 0/957 بود. نتایج حاصل نشان داد که این مدل¬ها قادرند ویژگی¬های پرش هیدرولیکی را با دقت بسیار زیاد برآورد نمایند. البته مدل ANFIS در برآورد نسبت اعماق مزدوج، طول پرش نسبی ، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی نسبت به مدل ANFIS-PSO اندکی دارای دقت بیشتری بود.ود. درحالی که مقادیر میانگین پارامترهای یادشده برای مدل ANFIS-PSO به‌ترتیب 0/185، 0/002 و 0/957 بود. نتایج حاصل نشان داد که این مدل¬ها قادرند ویژگی¬های پرش هیدرولیکی را با دقت بسیار زیاد برآورد نمایند. البته مدل ANFIS در برآورد نسبت اعماق مزدوج، طول پرش نسبی ، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی نسبت به مدل ANFIS-PSO اندکی دارای دقت بیشتری بود.

در دهۀ اخیر استفاده از سازه‌های گابیونی در مهندسی هیدرولیک برای پایداری سازه به جهت دارا بودن چگالی و وزن زیاد، زبری برای افت انرژی و تخلخل برای زهکشی رواج زیادی یافته است. این پژوهش به ارزیابی عملکرد سازه‌های تورسنگی در شرایط ایجاد پرش هیدرولیکی مستغرق در استهلاک انرژی نسبی پایین‌دست سرریز اوجی پرداخته است. پارامترهای مورد ارزیابی در این پژوهش عبارت از: عدد فرود، ارتفاع آب‌پایه، ضخامت آب‌پایه و قطر سنگدانه‌ها است. آزمایش‌ها با سه دانه‌بندی سنگدانه با قطر متوسط 1/5، 2/2 و 3 سانتی‌متر با سه ارتفاع آب‌پایه 10 و 20 سانتی‌متر و Max و ضخامت‌های 10، 20 و 30 سانتی‌متر  و دبی‌های 20 تا 40 لیتر بر ثانیه انجام شد. نتایج نشان داد که در تمامی مدل‌های مورد آزمایش با کاهش قطر سنگدانه‌های آب‌پایه، میزان استهلاک انرژی نسبی افزایش می‌یابد، به نحوی  که در آب‌پایه با سنگدانه به قطر 1/5 سانتی‌متر، مقدار استهلاک انرژی به‌میزان 3/6 درصد نسبت به سنگدانه به قطر متوسط 3 سانتی‌متر افزایش پیدا کرده است. افزایش ارتفاع آب‌پایه توری سنگی تا میزانی که جریان کاملاً درون‌گذر شود، می‌تواند تا مقدار 33 درصد نسبت به آب‌پایه با ارتفاع 10 سانتی‎‌متر، استهلاک انرژی نسبی بیشتری داشته باشد. همچنین با افزایش قطر آب‌پایه از 10 سانتی‌متر به 30 سانتی‌متر میزان استهلاک انرژی نسبی تا 15 درصد افزایش می‌یابد.

هدف از تحقیق حاضر بررسی و مقایسه نتایج آزمایشگاهی استهلاک انرژی و طول شیب‌شکن قائم مجهز به صفحات مشبک افقی با نتایج حوضچه‌های آرامش استاندارد نوع یک، دو، سه و چهار شیب‌شکن قائم ساده است. بدین منظور تعداد 64 آزمایش مختلف روی شیب‌شکن قائم مجهز به صفحه مشبک افقی در فواصل نسبی 0،  0/25، 0/5 و 0/75 از لبه شیب‌شکن، با تخلخل 40 و 50 درصدی صفحات مشبک و ارتفاع 20 سانتی‌متری انجام شد. نتایج نشان داد که در تمامی آزمایش‌ها و در یک دبی ثابت، افزایش فاصله صفحه مشبک از لبه شیب‌شکن، تأثیری زیادی بر استهلاک انرژی جریان ندارد. به‌طور متوسط استهلاک انرژی پایین‌دست برای مطالعه حاضر در مقایسه با شیب‌شکن قائم ساده به میزان بیش از 20 درصد افزایش یافته است که می‌تواند جایگزین مناسبی برای حوضچه آرامش پایین‌دست باشد. در میان مدل‌های تحقیق حاضر، بیشترین کاهش طول نسبی شیب‌شکن توسط مدل شیب‌شکن قائم با صفحه مشبک افقی با فاصله نسبی 0/75 اتفاق افتاد. به‌طور میانگین هنگام استفاده از صفحات مشبک افقی در چهار فاصله نسبی از لبه شیب‌شکن نیز نسبت به شیب‌شکن قائم مجهز به حوضچه‌ آرامش استاندارد بیش از 73 درصد از طول نسبی شیب‌شکن کاسته می‌شود.

پرش هیدرولیکی برای از بین بردن انرژی در پایین‌دست سازه‌های هیدرولیکی از جمله سرریزها، تندآب‌ها و دریچه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پژوهش نتایج حاصل از اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی و همچنین شبیه‌سازی عددی پرش هیدرولیکی آزاد با استفاده از نرم‌افزار Flow 3D در 6 حالت مختلف شیب معکوس، بستر زبر و پله انتهایی با هم مقایسه شد. گفتنی است، برای شبیه‌سازی عددی از دو مدل‌ آشفتگی k-ε و RNG استفاده شد. بر اساس نتایج، دقت شبیه‌سازی با کاربرد مدل RNG بیشتر از مدل k-ε بود. شاخص‌های آماری NRMSE، ME، NS و R2 برای مقایسه نتایج پروفیل سطح آب حاصل از کاربرد مدل RNG به‌ترتیب 4/34، 0/0052، 0/995 و 0/983 بدست آمد. همچنین مقدار این شاخص‌ها برای نتایج پروفیل سرعت با استفاده از مدل مذکور به‌ترتیب 14/92، 0/127، 0/982 و 0/962 محاسبه شد. بطور کلی میزان خطای حاصل از شبیه‌سازی پروفیل سطح آب و سرعت به‌ترتیب برابر 5/31 و 12/4 درصد بدست آمد. همچنین بیشینه خطای نتایج شبیه‌سازی عددی D2/D1، Lj/D2 و Lr/D1 به‌ترتیب برابر 12± ، 12± و 16± درصد بود. بنابراین استفاده از نرم‌افزار Flow-3D همراه با کاربرد مدل آشفتگی RNG برای شبیه‌سازی عددی پرش هیدرولیکی در شرایط مختلف پیشنهاد می‌شود.