1دانشجوی دکتر‌ی سازه های آبی، دانشکدۀ مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
2دانشیار گروه سازه های آبی، دانشکدۀ مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
3استاد گروه سازه های آبی، دانشکدۀ مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
4استاد گروه سازه های آبی، دانشکدۀ مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
چکیده
پرش هیدرولیکی نوعی پدیدۀ پیچیدۀ سه بعدی است که به وفور در رودخانه ها و کانال های روباز دیده می شود. مقاومت هیدرولیکی گیاهان کارکرد زیادی در هیدرودینامیک رودخانه ها با دشت های سیلابی طبیعی گسترده دارد. پوشش گیاهی به میدان جریان نفوذ می‌کند و باعث ایجاد نیروی مقاوم و در پی آن، اتلاف انرژی می شود. هدف از این تحقیق، بررسی اثر تراکم و ارتفاع پوشش، بر هیدرولیک جریان در پرش هیدرولیکی و پارامترهای مربوط به جریان دوفازی آب‌ـ هوا با استفاده از المان های استوانه ای شکل از جنس آهن گالوانیزه با قطر همگون 7 میلیمتر به عنوان پوشش گیاهی است. به این ترتیب، تأثیرات همراه با تنوع پوشش و یا خم شدن در نظر گرفته نمی شوند. به این‌منظور، چهار فرم بستر زبر، در دو حالت زبری پیوسته و غیر پیوسته و با دو ارتفاع 5/1 و 3 سانتیمتر استفاده شده و نتایج با داده های مربوط به بستر صاف به عنوان مرجع، مقایسه شد. آزمایش های مورد نیاز این مطالعه در فلومی مستطیلی افقی با عرض 30 سانتیمتر، در محدودۀ اعداد فرود بین 5/5 >1Fr > 5/1 انجام شد. اندازه گیری و تعیین پارامترهای مشخصۀ مربوط به جریان آب‌ـ هوا، توسط دستگاه پروب الکتریکی دو سوزنی که در این تحقیق طراحی، توسعه و واسنجی شده است، انجام شد. نتایج این تحقیق نشان داد وجود پوشش در کف کانال موجب افزایش هوادهی از طریق افزایش جزء خالی در طول غلتاب پرش شده و از طرفی، با افزایش نیروی مقاوم و تنش برشی در بستر سبب کاهش اعماق مزدوج و طول غلتاب پرش می شود؛ که این افزایش و کاهش، بسته به مقدار عدد فرود و ارتفاع و تراکم زبری ها است.
Experimental study of two phase Air-water Flow Parameters in Hydraulic Jumps with vegetated Rough Bed
نویسندگان [English]
Atefeh Adeli1؛ Javad Ahadiyan2؛ Mehdi Ghomeshi3؛ Manoochehr Fathi Moghadam4
1Faculty of Water and Environmental Engineering,, Department of Hydraulic Structures, Shahid Chamran University of Ahvaz.
2Associate Professor. Faculty of Water and Environmental Engineering, Department of Hydraulic Structures, Shahid Chamran University of Ahvaz
3Professor. Faculty of Water and Environmental Engineering, Department of Hydraulic Structures, Shahid Chamran University of Ahvaz
4Professor. Faculty of Water and Environmental Engineering, Department of Hydraulic Structures, Shahid Chamran University of Ahvaz
چکیده [English]
Hydraulic jumping is a complex three-dimensional phenomenon which is frequently observed in open channel flow such as rivers. The hydraulic resistance of vegetation plays a major role in the hydrodynamics of rivers with extensive natural floodplains. Vegetation penetrates the flow field and creates resistant force and, consequently, energy dissipation. In this study, the effect of vegetation density and height on flow in a hydraulic jump and parameters related to two phase Air-water flow are examined using cylindrical elements made of galvanized iron with a homogeneous diameter of 7 mm as vegetation. Thus, neither the effects of plant diversity nor flexibility have been considered. For this purpose, four forms of rough bed were used in two modes of staggered and collocated grid roughness with two heights of 1.5 and 3 cm, and the results were compared with data on smooth bed as a reference. Experiments were conducted in a horizontal rectangular flume with a width of 30 cm, in the range of upstream Froude numbers between 1.5 Fr1 5.5. Air-water flow measurements were conducted with a dual-tip conductivity probe, which was designed, developed and calibrated in this research. The results of this study showed that the presence of vegetation increases aeration by increasing the void fraction in a jump roller. And on the other hand, increasing the resistant force and shear stress in the bed reduces conjugate depths and roller length. This increase and decrease depends on the upstream Froude numbers, height and density of vegetation.
Bélanger J. Notes sur l'Hydraulique. Ecole Royale des Ponts et Chaussées, Paris, France, session. 1841;1842:223.
Cummings PD, Chanson H. Air Entrainment in the Developing Flow Region of Plunging Jets—Part 1: Theoretical Development. Journal of Fluids Engineeringـ transactions of The Asme. 1997;119:597ـ
Chanson H, Brattberg T. Air Entrainment by Twoـ Dimensional Plunging Jets: the Impingement Region and the Veryـ Near Flow Field. Proceedings of 1998 ASME Fluids Engineering Conference. 1998:8.
Chanson H. Advective diffusion of air bubbles in hydraulic jumps with large Froude numbers: an experimental study. 2009a.
Wang H. Turbulence and air entrainment in hydraulic jumps. 2014.
Cain P, Wood IR. Measurements of selfـ aerated flow on a spillway. Journal of the Hydraulics Division. 1981;107(11):1425ـ
Hager W, Sinniger R. Flow characteristics of the hydraulic jump in a stilling basin with an abrupt bottom rise. Journal of Hydraulic Research. 1985;23(2):101ـ
Rajaratnam N. Hydraulic jumps. Advances in hydroscience. 4: Elsevier; 1967. p. 197ـ
Ead S, Rajaratnam N. Hydraulic jumps on corrugated beds. Journal of Hydraulic Engineering. 2002;128(7):656ـ
Hughes WC, Flack JE. Hydraulic jump properties over a rough bed. Journal of Hydraulic engineering. 1984;110(12):1755ـ
Abel R, Resch FJ. A method for the analysis of hotـ film anemometer signals in twoـ phase flows. International Journal of Multiphase Flow. 1978;4(5):523ـ
Resch FJ, Leutheusser HJ, Alemu S. Bubbly twoـ phase flow in hydraulic jump. Journal of the Hydraulics Division. 1974;100(1):137ـ
Lee B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical fiber technology. 2003;9(2):57ـ
Chanson H. Phaseـ detection measurements in freeـ surface turbulent shear flows. Journal of Geophysics and Engineering. 2016;13(2):S74ـ
Neal LG, Bankoff S. A high resolution resistivity probe for determination of local void properties in ga“ liquid flow. Aiche Journal. 1963;9:490ـ
Felder S, Chanson H. Air–water flow patterns of hydraulic jumps on uniform beds macroroughness. Journal of Hydraulic Engineering. 2018;144(3):04017068.
Pagliara S, Carnacina I, Roshni T. Air‐water flows in the presence of staggered and row boulders under macroroughness conditions. Water Resources Research. 2010;46(8).
Pagliara S, Roshni T, Carnacina I. Turbulence, aeration and bubble features of airـ water flows in macroـ and intermediate roughness conditions. Water Science and Engineering. 2011;4(2):170ـ
Pagliara S, Palermo M. Hydraulic jumps on rough and smooth beds: aggregate approach for horizontal and adverseـ sloped beds. Journal of Hydraulic Research. 2015;53(2):243ـ
Felder S, Chanson H. An experimental study of airـ water flows in hydraulic jumps with channel bed roughness. 2016.
Chanson H, Carosi G. Advanced postـ processing and correlation analyses in highـ velocity air–water flows. Environmental Fluid Mechanics. 2007a;7(6):495ـ
Chanson H. Momentum considerations in hydraulic jumps and bores. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 2012;138(4):382ـ
Kucukali S, Chanson H. Turbulence measurements in the bubbly flow region of hydraulic jumps. Experimental Thermal and Fluid Science. 2008;33(1):41ـ
Bahmanpouri F. Experimental study of air entrainment in hydraulic jump on pebbled rough bed. PhD thesis: Civil, Architectural and Environmental Engineering Department, The University of Napoli Federico II; 2019.
Chachereau Y, Chanson H. Freeـ surface fluctuations and turbulence in hydraulic jumps. Experimental Thermal and Fluid Science. 2011b;35(6):896ـ
Murzyn F, Mouazé D, Chaplin J. Air–water interface dynamic and free surface features in hydraulic jumps. Journal of Hydraulic Research. 2007;45(5):679ـ
Carollo FG, Ferro V, Pampalone V. Hydraulic jumps on rough beds. Journal of Hydraulic Engineering. 2007;133(9):989ـ
Murzyn F, Chanson H. Experimental investigation of bubbly flow and turbulence in hydraulic jumps. Environmental Fluid Mechanics. 2009;9(2):143ـ
Chanson H. Convective transport of air bubbles in strong hydraulic jumps. International Journal of Multiphase Flow. 2010;36(10):798ـ
Crank J. The mathematics of diffusion: Oxford university press; 1979.
Chanson H. Air entrainment in twoـ dimensional turbulent shear flows with partially developed inflow conditions. International Journal of Multiphase Flow. 1995;21(6):1107ـ
Chanson H. Air bubble entrainment in freeـ surface turbulent shear flows: Elsevier; 1997a.
Chanson H. Study of air entrainment and aeration devices. Journal of Hydraulic research. 1989;27(3):301ـ
Brattberg T, Chanson H, Toombes L. Experimental investigations of freeـ surface aeration in the developing flow of twoـ dimensional water jets. 1998.
Murzyn F, Mouazé D, Chaplin J. Optical fibre probe measurements of bubbly flow in hydraulic jumps. International Journal of Multiphase Flow. 2005;31(1):141ـ
Chachereau Y, Chanson H. Bubbly flow measurements in hydraulic jumps with small inflow Froude numbers. International Journal of Multiphase Flow. 2011;37(6):555ـ
