محاسبه عمق جریان خروجی از محیط متخلخل درشت‌دانه با جریان شعاعی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه بوعلی سینا، همدان

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه زنجان

چکیده

جریان عبوری از محیط متخلخل درشت ­دانه (جریان غیردارسی) به دو دسته جریان­ های موازی و جریان­ های شعاعی (همگرا) تقسیم ­بندی می­ شوند. در جریان ­های غیردارسی شعاعی برخلاف جریان ­های غیردارسی موازی، فشردگی جریان وجود دارد. محاسبه عمق جریان خروجی در تحلیل یک بعدی (تئوری جریان­ های متغیر تدریجی) و دو بعدی (حل معادله پارکین) جریان ماندگار- غیردارسی از اهمیت بالایی برخوردار است. به ­عبارت دیگر، عمق جریان خروجی در تحلیل یک بعدی به­ عنوان نقطه شروع محاسبات پروفیل سطح آب و در تحلیل دو بعدی به­ عنوان شرط مرزی پایین ­دست کاربرد دارد. طبق فرضیه استفنسون، مقدار عمق جریان خروجی از محیط متخلخل سنگریزه‌ای در جریان ماندگار برابر با عمق بحرانی است. درحالی ­که براساس بررسی­ های آزمایشگاهی پژوهشگران مختلف، عمق جریان خروجی از محیط متخلخل درشت­ دانه همواره بزرگتر از عمق بحرانی بوده و ضریبی (Γ) از مقدار مذکور است. در پژوهش­ های قبلی، عمق جریان خروجی از محیط سنگریزه­ ای در حالت موازی بررسی شده است. درحالی­ که در پژوهش حاضر، عمق جریان خروجی در حالت غیردارسی شعاعی برای اولین بار بررسی شده است. جریان اطراف چاه­ های مختلف حفاری شده نمونه­ ای از جریان غیردارسی شعاعی است. عمق جریان ورودی به چاه­ ها یا به ­عبارت دیگر عمق جریان خروجی از محیط متخلخل درشت ­دانه شعاعی در تحلیل جریان ماندگار اهمیت بسزایی دارد. در پژوهش حاضر، با استفاده از داده ­های آزمایشگاهی (دستگاه آزمایش نیمه استوانه ­ای شکل در مقیاس بزرگ و ابعاد به قطر 6 و ارتفاع 3 متر) ثبت شده برای 10 ارتفاع مختلف آب پمپاژ شده در بالادست محیط سنگریزه­ ای و آنالیز ابعادی، رابطه­ ای جهت محاسبه ضریب مذکور (Γ) ارائه شده است. رابطه ارائه شده تابعی از عمق آب در بالادست (h) و فاصله مرکز چاه تا بالادست (R) می ­باشد. نتایج پژوهش حاضر بیانگر آنست که، میانگین خطای نسبی (Mean Relative Error (MRE)) بین عمق جریان خروجی ثبت شده در آزمایشگاه و عمق بحرانی برابر با 43/83 درصد و در حالت استفاده از رابطه ارائه شده در پژوهش حاضر جهت محاسبه عمق جریان خروجی برابر با 53/3 درصد به­ دست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Calculate the Output Flow Depth from a Coarse-Grained Porous Media with Radial Flow

نویسندگان [English]

  • Jalal Sadeghian 1
  • Hadi Norouzi 2
  • Jalal Bazargan 2
1 Department of Civil Engineering, Bu Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 Faculty of Civil Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran
چکیده [English]

     Coarse-grained gravel (rockfill material) has numerous applications in engineering including filtration, gabion construction, channel lining, stilling basins, ponds, and cobble stone dams as well as flood control. In the fine-grained media, there is a laminar flow with a linear relation between hydraulic gradient and flow velocity so that the flow follows Darcy law (Eq. 1) (McWhorter and Sunada, 1977). However, in the coarse-grained media, due to the presence of voids, flow velocity is high with a tendency to the turbulent flow formation (Hansen et al. 1995), and there is a nonlinear relation between hydraulic gradient and flow velocity and flow follows non-Darcy law. Hydraulic gradient equations in the non-Darcy media considering steady flow condition are classified into two groups of power and binomial equations, according to Eqs. 2 and 3 (Forchheimer, 1901; Leps, 1973; Stephenson, 1979).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dimensional Analysis
  • Output Flow Depth
  • Non-Darcy Flow
  • Radial Flow
  • Steady Flow

مراجع

بازرگان ج، شعاعی م، "تحلیل جریان‌های غیردارسی در مصالح سنگریزه‌ای با استفاده از تئوری جریان‌های متغیر تدریجی"، نشریه مهندسی عمران و نقشه برداری. 1389، 44 (2)، 131-139.
شایان­ نژاد م، ابراهیمی ا، "بررسی هیدرولیک جریان شعاعی غیردارسی در آبخوان­ های آزاد در شرایط ماندگار"، نشریه آبیاری و زهکشی ایران، 1398، 13 (6)، 1580-1588. 20.1001.1.20087942.1398.13.6.4.0
چابک­پور ج، امیری تکلدانی ا، "مدل ­سازی عددی-آزمایشگاهی پروفیل طولی سطح آب در محیط­ های متخلخل درشت ­دانه"، 1396، 11 (3)، 81-90.
صادقیان ج، "تحلیل جریان­ های شعاعی در بسترهای آبرفتی درشت­ دانه"، پایان­نامه دکتری، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، 1392.
صادقیان ج، خیاط خلقی م، هورفر ع، بازرگان ج، "مطالعه آزمایشگاهی جریان­ های غیردارسی شعاعی در بسترهای آبرفتی درشت­ دانه"، 1393، 8 (15)، 11-21.
صدقی اصل م، رحیمی ح، فرهودی ج، محمدولی سامانی ج، "تجزیه و تحلیل پروفیل­ های جریان درون محیط ­های متخلخل درشت­ دانه"، 1389، 4 (7)، 81-88.
گودرزی م، بازرگان ج، شعاعی م، "تحلیل نیمرخ طولی سطح آب درون مصالح سنگریزه ای با استفاده از تئوری جریان متغیر تدریجی با در نظر گرفتن نیروی درگ"، تحقیقات آب و خاک ایران، 1399، 51 (2)، 403-415.
20.1001.1.2008479.1399.51.2.10.1
Arbhabhirama A, Dinoy AA, “Friction factor and reynolds number in porous media flow”, Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1973, 99 (6), 901-915. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0003663
Bari R, Hansen D, “Application of gradually-varied flow algorithms to simulate buried streams”, Journal of Hydraulic Research, 2002, 40 (6), 673-683. https://doi.org/10.1080/00221680209499914
Bazargan J, Shoaei SM, “Application of gradually varied flow algorithms to simulate buried streams”,‏ IAHR Journal of Hydraulic Research, 2006, 44 (1), 138-141. https://doi.org/10.1080/00221686.2006.9521669
Forchheimer P, “Water movement through ground”, Ground Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, 1901, 45, 1736-1741.
Hansen D, Garga VK, Townsend DR, “Selection and application of a one-dimensional non-Darcy flow equation for two-dimensional flow through rockfill embankments”, Canadian Geotechnical Journal, 1995, 32 (2), 223-232.‏ https://doi.org/10.1139/t95-025
Leps TM, “Flow through rockfill, Embankment-dam engineering casagrande volume edited by Hirschfeld, RC and Poulos, SJ.‏ 1973.
McWhorter DB, Sunada DK, Sunada DK, “Ground-water hydrology and hydraulics”, Water Resources Publication,‏ LLC. U.S. Library. 1977.
Norouzi H, Bazargan J, Azhang F, Nasiri R, “Experimental study of drag coefficient in non-darcy steady and unsteady flow conditions in rockfill”, Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2021, 1-20.‏ https://doi.org/10.1007/s00477-021-02047-4
Norouzi H, Hasani MH, Bazargan J, Shoaei SM, “Estimating output flow depth from rockfill porous media”, Water Supply, 2022, 22 (2), 1796-1809.‏ https://doi.org/10.2166/ws.2021.317
Sadeghian J, Khayat Kholghi M, Horfar A, Bazargan J, “Comparison of binomial and power equations in radial non-Darcy flows in coarse porous media”, Journal of Water Sciences Research, 2013, 5 (1), 65-75.‏
Scheidegger AE, “The physics of flow through porous media”, Soil Science, 1958, 86 (6), 355.‏ https://doi.org/10.3138/9781487583750
Sedghi-Asl M, Rahimi H, “Adoption of Manning's equation to 1D non-Darcy flow problems”, Journal of Hydraulic Research, 2011, 49 (6), 814-817. https://doi.org/10.1080/00221686.2011.629911
Sidiropoulou MG, Moutsopoulos KN, Tsihrintzis VA, “Determination of Forchheimer equation coefficients a and b Hydrological Processes: An International Journal, 2007, 21 (4), 534-554. https://doi.org/10.1002/hyp.6264
Stephenson DJ, “Rockfill in hydraulic engineering”, Elsevier Scientific Publishing Compani,‏ Distributors for the United States and Canada, 1979.
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز
دوره 53.3، شماره 112 - شماره پیاپی 112
پاییز 1402
آذر 1402
صفحه 128-133

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار