تحلیل المانی ظرفیت آبگذری سرریزهای کنگره‌ای قوسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی عمران سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی عمران سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران.

چکیده

سرریزهای غیرخطی ازجمله سازه های هیدرولیکی هستند که علیرغم اهمیت و کاربرد بسیار زیاد آن‌ها، تاکنون روش عمومی برای تخمین آبگذری آن‌ها ارائه نشده است. عموماً برای دستیابی به توان آبگذری سرریزهای غیرخطی از مدل سازی آزمایشگاهی و یا نرم افزارهای عددی استفاده و روابط طراحی ارائه شده است. بسط روابط آبگذری از یک خانواده ی هندسی از سرریزهای غیرخطی به خانواده دیگر عملی نیست. استفاده از مدل های عددی و یا آزمایشگاهی در مراحل مقدماتی طراحی این سازه ها نیازمند صرف زمان و هزینه ی زیادی است که این موضوع با توجه به تنوع بسیار بالای هندسه ی سرریزهای غیرخطی پررنگ تر است. در این تحقیق یک روش عمومی برای تخمین آبگذری سرریزهای غیرخطی مبتنی بر تحلیل آبگذری آنها با استفاده از حل همزمان معادلات دیفرانسیل معمولی انرژی و آبگذری سرریز بر روی المان‌های گسسته سازی شده از میدان حل ارائه شده است. این روش با فرضیات ساده‌کننده‌ای توانائی تخمین آبگذری سرریزهای غیرخطی را با خطای بیشینه ی 15 درصد داشته که با توجه به هزینه پایین محاسباتی و توانائی تحلیل طیف گسترده ای از هندسه های پیچیده، می‌تواند به عنوان یک راهکار جهت ارزیابی اولیه طرح سرریزهای غیرخطی مورد توجه باشد. برای بررسی کارایی روش ارائه‌شده، از نتایج مدل های آزمایشگاهی سرریزهای مایل، کنگره‌ای قوسی و سرریز سد ایزابلا استفاده شده است. روش پیشنهادی با همبستگی و دقت بالا، میزان آبگذری سرریزهای مذکور را تخمین زده است. خطای بیشینه ی مشاهده‌شده برای سرریزهای مایل 12 درصد، کنگره‌ای قوسی 15 درصد و سد ایزابلا نیز 15 درصد بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Elementary Analysis for Discharge Capacity of Arced Labyrinth Weirs

نویسندگان [English]

  • Hamed Tagizadeh 1
  • Mohammad Manafpour 2
1 Ph.D. Student, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran.
چکیده [English]

Nonlinear weirs are among the hydraulic structures that, despite their great importance and application, so far, no general method for estimating their discharge capacity has been accomplished. Laboratory or numerical modelling is commonly used to achieve nonlinear weir discharge capacity. It should be noted that employing the design equation from one geometric family of nonlinear weirs to another is impractical. The utilization of numerical or laboratory models in the preliminary stages of the design of these structures is a time and cost-consuming process, which is highlighted by the variety of nonlinear weir geometry. In this research, a general method for estimating the nonlinear weirs discharge capacity is presented. The proposed method analyzes nonlinear weir discharge capacity using energy and discharge equations for discretized solution fields. Furthermore, the local submergence in nonlinear weirs, which has a tangible effect on their discharge capacity, has been corrected. Results of laboratory models performed on the oblique weir, arced labyrinth weir, and Isabella dam weir have been used to evaluate the efficiency of the proposed method. The proposed method with high correlation and accuracy has estimated the discharge capacity of these weirs. The maximum error observed was 12 percent for the oblique weir,15 percent for the arced labyrinth weir, and 15 percent for the Isabella Dam weir.

کلیدواژه‌ها [English]

  • EDA method
  • Elementary analysis
  • Local submergence
  • Nonlinear weirs

مراجع

  1. Azimi, A. H., Rajaratnam, N., & Zhu, D. Z. (2014). Submerged flows over rectangular weirs of finite crest length. Journal of irrigation and drainage Engineering, 140(5), 06014001.
  2. Borghei, S. M., Vatannia, Z., Ghodsian, M., & Jalili, M. R. (2003, June). Oblique rectangular sharp-crested weir. In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water and Maritime Engineering(Vol. 156, No. 2, pp. 185-191). Thomas Telford Ltd.
  3. Carrillo, J. M., Matos, J., & Lopes, R. (2020). Numerical modeling of free and submerged labyrinth weir flow for a large sidewall angle. Environmental Fluid Mechanics, 20(2), 357-374.
  4. Christensen, N. A (2012). Flow characteristics of arced labyrinth weirs. MSc dissertation, Utah State University, Utah, USA, 106 pp.
  5. Crookston, B. M (2010). Labyrinth weirs. PhD dissertation, Utah State University, Utah, USA, 222 pp.
  6. Crookston, B. M., Erpicum, S., Tullis, B. P., & Laugier, F. (2019). Hydraulics of labyrinth and piano key weirs: 100 years of prototype structures, advancements, and future research needs. Journal of Hydraulic Engineering, 145(12), 02519004.
  7. Crookston, B. M., Mortensen, D., Stanard, T., Tullis, B. P., & Vasquez, V. (2015, April). Debris and maintenance of labyrinth spillways. In Proceedings of the 35th Annual USSD Conference, Louisville, KY, USA(pp. 13-17).
  8. Dutta, D., Mandal, A., & Afzal, M. S. (2020). Discharge performance of plan view of multi-cycle W-form and circular arc labyrinth weir using machine learning. Flow Measurement and Instrumentation, 73, 101740.
  9. Elnikhely, E. A., & Fathy, I. (2020). Prediction of scour downstream of triangular labyrinth weirs. Alexandria Engineering Journal, 59(2), 1037-1047.
  10. Erpicum, S., Laugier, F., Boillat, J. L., Pirotton, M., Reverchon, B., & Schleiss, A. J. (Eds.). (2011). Labyrinth and piano key weirs. CRC Press.
  11. Erpicum, S., Tullis, B. P., Lodomez, M., Archambeau, P., Dewals, B. J., & Pirotton, M. (2016). Scale effects in physical piano key weirs models. Journal of Hydraulic Research, 54(6), 692-698.
  12. Ghaderi, A., Dasineh, M., Abbasi, S., & Abraham, J. (2020). Investigation of trapezoidal sharp-crested side weir discharge coefficients under subcritical flow regimes using CFD. Applied Water Science, 10(1), 1-12.
  13. Kabiri-Samani, A. (2010). Analytical Approach for Flow over an Oblique Weir. Scientia Iranica, 17(2).
  14. Lopes, R., Matos, J., & Melo, J. (2006, December). Discharge capacity and residual energy of labyrinth weirs. In  of the Int. Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures (IJREWHS ‘06)(pp. 47-55).
  15. Mahmoud, A., Yuan, X., Kheimi, M., & Yuan, Y. (2021). Interpolation accuracy of hybrid soft computing techniques in estimating discharge capacity of triangular labyrinth weir. IEEE Access, 9, 6769-6785.
  16. Pfister, M., Capobianco, D., Tullis, B., & Schleiss, A. J. (2013). Debris-blocking sensitivity of piano key weirs under reservoir-type approach flow. Journal of Hydraulic Engineering, 139(11), 1134-1141.
  17. Rajaei, A., Esmaeili Varaki, M., & Shafei Sabet, B. (2020). Experimental investigation on local scour at the downstream of grade control structures with labyrinth planform. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 26(4), 457-467.
  18. Shafiei, S., Najarchi, M., & Shabanlou, S. (2020). A novel approach using CFD and neuro-fuzzy-firefly algorithm in predicting labyrinth weir discharge coefficient. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 42(1), 1-19.
  19. Swamee, P. K., Ojha, C. S. P., & Mansoor, T. (2011). Discharge characteristics of skew weirs. Journal of hydraulic research, 49(6), 818-820.
  20. Taylor G (1968). The performance of labyrinth weirs. PhD dissertation, University of Nottingham, Nottingham, UK, 410 pp.
  21. Thompson EA, Cox NC, Ebner L, Tullis B (2016). The hydraulic design of an arced labyrinth weir at Isabella Dam. website: https://digitalcommons.usu.edu/ishs/2016/Session2/1/
  22. Zounemat-Kermani, M., Kermani, S. G., Kiyaninejad, M., & Kisi, O. (2019). Evaluating the application of data-driven intelligent methods to estimate discharge over triangular arced labyrinth weir. Flow Measurement and Instrumentation, 68, 101573.
مدیریت آب و آبیاری
دوره 12، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 33-43

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار