بررسی آزمایشگاهی باقیمانده انرژی جریان در سازه ریزشی گردابی با استفاده از روش فاکتوریل کامل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، مجتمع آموزش عالی بم، کرمان، ایران

چکیده

یکی از نیازهای اساسی در سیستم‌های جمع‌آوری فاضلاب و زهکشی شهری، اتصال مجاری کم‌عمق به تونل‌های زیرزمینی عمیق است. این اتصال به‌طور معمول از طریق سازه ریزشی گردابی برقرار می‌شود. در این سازه و برای تشکیل جریان گردابی، علاوه بر جلوگیری از سقوط سیال بخش قابل‌توجهی از انرژی آن به واسطه اصطکاک جداره‌ها تلف می‌شود. در این پژوهش، با ساخت مدل فیزیکی سازه، هد انرژی باقیمانده در آن (نسبت انرژی مخصوص در خروجی به انرژی مخصوص در ورودی سازه، E2/E1) بررسی شد. با استفاده از آنالیز ابعادی عوامل بدون بعد عدد فرود جریان (Fr)، نسبت ارتفاع کل ریزش به قطر شفت (L ⁄ D) و نسبت عمق چاهک به قطر شفت (Hs ⁄D) به‌عنوان عوامل مؤثر بر هد انرژی باقیمانده در سازه معرفی شدند. با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی، دقت و توانایی روش فاکتوریل کامل برای توصیف باقیمانده انرژی جریان در سازه تأیید شد. نتایج نشان داد که هد انرژی باقیمانده برای عدد فرود متناظر با دبی طراحی (Fr=2.18) بیشترین نزدیکی را به مقدار حدی 1 دارد. از طرفی برای کلیه سطوح عامل L/D مقدار هد انرژی باقیمانده به مقدار حدی 1 نزدیک هستند. همچنین به‌ازای مقدار Hs/D بین 1 تا 2 شاهد کمترین اختلاف مقدار هد انرژی باقیمانده با مقدار حدی 1 هستیم، بنابراین می‌توان این محدوده را مناسب طراحی چاهک دانست. علاوه بر این معادله‌ای غیرخطی به‌صورت تابعی از Fr، L ⁄ D و Hs ⁄ D برای تخمین هد انرژی باقیمانده در سازه ریزشی گردابی با استفاده از آنالیز رگرسیون ارائه شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Flow Energy Residual in a Vortex Drop Structure Using Full Factorial Method

نویسنده [English]

  • Mohammad Mahmoudi Rad
Assist. Prof., Dept. of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Higher Education Complex of Bam, Kerman, Iran
چکیده [English]

One of the basic needs in urban wastewater and drainage systems is the connection of shallow ducts to deep underground tunnels. This connection is usually made through a vortex drop structure. In order to form a vortex flow, in addition to preventing the fluid from falling, a significant part of its energy is lost due to the friction of the walls. In the present study, by constructing a physical model, the residual energy head in the structure (ratio of specific energy at the output (E2) to specific energy at the input of the structure, (E1)) has been studied. Using dimensional analysis of dimensionless factors of Froude number (Fr), the ratio of total fall height to shaft diameter (L⁄D) and the ratio of sump depth to shaft diameter (Hs ⁄D) were determined as factors affecting the residual energy head in the structure. Using experimental observations, the accuracy and capability of the full factorial method to describe the residual flow energy in the structure were evaluated. The results showed that the residual energy head for the Froude number corresponding to the design flow discharge at Fr=2.18 is closest to the limit value of 1. On the other hand, for all L/D operating levels, the residual energy head values are close to 1. Moreover, the smallest difference between the values of the residual energy head and the limit value was 1 for Hs/D values between 1 and 2, indicating suitable range for the practical purpose. In addition, a polynomial equation as a function of Fr, L⁄D and Hs ⁄D was expressed to accurately estimate the residual energy head in the vortex, drop structure using regression analysis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Residual Energy Head
  • Vortex Drop Structure
  • Sewage network
  • Full Factorial Method
  • regression analysis
Ahmadi, M., Vahabzadeh, F., Bonakdarpour, B., Mofarrah, E. & Mehranian, M. 2005. Application of the central composite design and response surface methodology to the advanced treatment of olive oil processing wastewater using Fenton's peroxidation. Journal of Hazardous Materials, 123, 187-195.
Amiri, F., Mousavi, S., Yaghmaei, S. & Barati, M. 2012. Bioleaching kinetics of a spent refinery catalyst using Aspergillus niger at optimal conditions. Biochemical Engineering Journal, 67, 208-217.
Crispino, G., Contestabile, P., Vicinanza, D. & Gisonni, C. 2021. Energy head dissipation and flow pressures in vortex drop shafts. Water, 13, 165.
Daggett, L. & Keulegan, G. 1974. Similitude conditions in free-surface vortex formations (flow tests using cylindrical tanks with adjustable vanes). Journal of the Hydraulics Division, 100(11), Nov 1974.
Granata, F., De Marinis, G. & Gargano, R. 2014. Flow-improving elements in circular drop manholes. Journal of Hydraulic Research, 52, 347-355.
Granata, F., De Marinis, G., Gargano, R. & Hager, W. H. 2011. Hydraulics of circular drop manholes. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 137, 102-111.
Hager, W. H. 1990. Vortex drop inlet for supercritical approaching flow. Journal of Hydraulic Engineering, 116, 1048-1054.
Hager, W. H. 2010. Wastewater hydraulics: theory and practice, Springer Heidelberg Dordrecht London New York.
Hajiahmadi, A., Ghaeini-Hessaroeyeh, M. & Khanjani, M. J. 2021. Experimental evaluation of vertical shaft efficiency in vortex flow energy dissipation. International Journal of Civil Engineering, 19, 1445-1455.
Jain, A. K., Garde, R. J. & Ranga Raju, K. G. 1978. Vortex formation at vertical pipe intakes. Journal of the Hydraulics Division, 104, 1429-1445.
Jain, S. C. 1984. Tangential vortex-inlet. Journal of Hydraulic Engineering, 110, 1693-1699.
Liu, Z. P., Guo, X. L., Xia, Q. F., Fu, H., Wang, T. & Dong, X. L. 2018. Experimental and numerical investigation of flow in a newly developed vortex drop shaft spillway. Journal of Hydraulic Engineering, 144, 04018014.
Ma, Y., Zhu, D. Z. & Rajaratnam, N. 2016. Air entrainment in a tall plunging flow dropshaft. Journal of Hydraulic Engineering, 142, 04016038.
Mahmoudi-Rad, M. & Khanjani, M. J. 2019. Energy dissipation of flow in the vortex structure: experimental investigation. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 10, 04019027.
Mahmoudi Rad, M. & Khanjani, M. J. 2020. Experimental study of air flow in a vortex structure using full factorial method. Journal of Water and Wastewater, 31(4), 57-70. (In Persian)
Montgomery, D. C. 2017. Design and analysis of experiments, John Wiley & Sons. New York. USA.
Pfister, M., Crispino, G., Fuchsmann, T., Ribi, J. M. & Gisonni, C. 2018. Multiple inflow branches at supercritical-type vortex drop shaft. Journal of Hydraulic Engineering, 144, 05018008.
Sangsefidi, Y., Mehraein, M., Ghodsian, M. & Motalebizadeh, M. R. 2017. Evaluation and analysis of flow over arced weirs using traditional and response surface methodologies. Journal of Hydraulic Engineering, 143, 04017048.
Yang, Z., Yin, J., Lu, Y., Liu, Z., Yang, H. & Xu, G. 2021. Three-dimensional flow of a vortex drop shaft spillway with an elliptical tangential inlet. Water, 13, 504.
Yu, D. & Lee, J. H. 2009. Hydraulics of tangential vortex intake for urban drainage. Journal of Hydraulic Engineering, 135, 164-174.
Zhao, C. H., Zhu, D. Z., Sun, S. K. & Liu, Z. P. 2006. Experimental study of flow in a vortex drop shaft. Journal of Hydraulic Engineering, 132, 61-68.