ارائه رابطهای برای تخمین گرادیان هیدرولیکی در جریان غیردارسی در محیط متخلخل

آب و خاک

مقاله 7، دوره 29، شماره 4، مهر 1394، صفحه 908-918   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v0i0.31302

نویسندگان

محمود مرادی طیبی؛ ابراهیم امیری تکلدانی^*

دانشگاه تهران

چکیده

قانون دارسی خاص هیدرولیک جریان آرام است و برای جریان متلاطم کاربرد آن توصیه نمیشود. معادلات حاکم بر جریانهای متلاطم با استفاده از روابط حاکم بر اصول اساسی هیدرودینامیک و اعمال اثر آشفتگی به دست میآیند. این معادلات به دلیل ماهیت پیچیده جریان متلاطم به صورت معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی بیان میشوند. در این راستا تاکنون روابط متعددی توسط محققین مختلف به منظور شناسایی ویژگیهای این نوع جریان از جمله تعیین گرادیان هیدرولیکی در محیط متخلخل درشت دانه ارائه شده لیکن هر کدام از آنها فقط در محدودهای خاص از تخلخل و دانهبندی محیط متخلخل سنگدانهای دارای کاربرد میباشند. هدف از انجام این تحقیق بدست آوردن روابط مناسب در محیط متخلخل به گونهای است که در محدوده وسیعتری از تخلخل و دانه‌بندی ذرات سازنده محیط متخلخل قابل کاربرد باشد. بدین منظور با استفاده از بخش عمدهای از نتایج آزمایشگاهی موجود و تجزیه و تحلیل آنها، رابطۀ جدیدی بین گرادیان هیدورلیکی و سرعت در محیط متخلخل ارائه شد که در محدوده وسیعتری از مقادیر قطر سنگدانه، عدد رینولدز، و تخلخل کاربرد دارد. با استفاده از باقیمانده نتایج آزمایشگاهی موجود، نتایج حاصل از کاربرد رابطۀ جدید با نتایج حاصل از کاربرد روابط موجود مقایسه شده و مشخص شد که خطای نسبی رابطۀ جدید فقط 14 درصد است که نسبت به معادلات موجود دارای کمترین مقدار خطای نسبی میباشد. در نتیجه مشاهده میشود که علاوه بر امکان کاربرد معادلۀ جدید در محدوده وسیعتری از مقادیر پارامترهای دخیل، رابطۀ جدید دارای درستی بیشتری نسبت به سایر معادلات میباشد.

کلیدواژه‌ها

تخلخل؛ جریان متلاطم؛ سرعت؛ عدد رینولدز؛ مصالح درشت‌دانه

مراجع

1- Bazargan J. 2002. Investigating the design criteria of rockfill intakes. Ph.D. thesis. Faculty of Civil, Amir Kabir University, Tehran, Iran. (in Persian with English abstract).

2- Ergun S. 1952. Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48: 89-94.

3- Ghazimoradi A. 1996. Study through the effects of detention rockfill dams permeability on flood control and suspended and bed load sedimentation. A research project approved by Research Institute of Soil and Watershed Protection, Ministry of Jehad Keshavarzi.

4- Ghazimoradi A. 2006. Investigation of the effects of overflow on the flow specifications in detention rockfill dams. A research project approved by Research Institute of Soil and Watershed Protection, Ministry of Jehad Keshavarzi.

5- George G.H. and Hansen D. 1992. Conversion between quadratic and power law for non-Darcy flow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 115(5): 792-797.

6- Hansen D. 1992. The behavior of flow through rockfill dams. PhD thesis. Dept. of Civil Engineering, University of Ottawa, Ontario, Canada.

7- Herrera N.M. and Felton G.K. 1991. Hydraulic of flow through a rockfill dam using sediment-free water. Journal of Hydraulic Engineering, 34(3): 871-875.

8- Hill R.J. and Koch D.L. 2002. The transition from steady to weakly turbulent flow in a close-packed ordered array of spheres. Journal of Fluid Mechanics, 465: 59–97.

9- Jafari H. 2001. Investigation the flow hydraulics in porous media made of round-edge rockfill river material with the diameter of 10 to 20 cm. M. Sc. Thesis in Water Structures, University of Tarbiat Modarres, Tehran, Iran. (in Persian with English abstract).

10- Joy D.M., Lennox W.C. and Kouwen, N. 1991. Particulate transport in a porous media under nonlinear flow conditions. Journal of Hydraulic Research, 29(3): 373-385.

11- Kadlec H.R. and Knight L.R. 1996. Treatment Wetlands. Lewis Publishers, USA.

12- Li B., Garga V.K. and Davis M.H. 1998. Relationships for non-Darcy flow in rockfill. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 124: 206-212.

13- Martins R. 1990. Turbulent seepage flow-through rockfill structures. International Water Power Dam Construction, 40(3): 41–45.

14- McCorquodale J.A., Hannoura. A.A. and Nasser M.S. 1978. Hydraulic conductivity of rockfill. Journal of Hydraulic Research, Delft, The Netherlands, 16(2): 123-137.

15- Mosavi S.A., Amiri Tokaldany, E. and Davoudi M.H. 2011. Introducing relationships to determine the critical hydraulic gradient at non-cohesive sediment transport discharge in rockfill dams. Soil and Water Journal (Agricultural Science and industrial), 25(6): 1238-1249, (in Persian with English abstract).

16- Moutsopoulos K.N., Papaspyros J.N.E. and Tsihrintzis V.A. 2009. Experimental investigation of inertial flow processes in porous media. Journal of Hydrology, 374: 242–254.

17- Parkins A.K. 1991. Through and over flow rockfill dams. P. 572-592. In E.M. das Neves (ed.) Advances in rockfill structures, Kluwer Academic Publishers Group, Boston, USA.

18- Sedghi-Asl M., Rahimi H. and Salehi R. 2014. Non-Darcy flow of water through a packed column test. Journal of Transport Porous Media, 100(2): 215-227.

19- Shafaee Bajestan M. 2011. Physical and hydraulic models. Second Edition, University of Shahid Chamran, Ahvaz, Iran. (in Persian).

20- Sidiropoulou M.G., Moutsopoulos K.N. and Tsihrintzis, V.A. 2007. Determination of Forchheimer equation coefficients a and b. Hydrological Process. 21(4): 534–554.

21- Stephenson D. 1979. Rockfill in hydraulic engineering. Elsevier Scientific, Amsterdam.

22- Van Gent M.R.A. 1992. Formulae to describe porous flow. Communications on Hydraulic and Geotechnical Engineering, Delft University of Technology, Delft. The Netherlands.

23- Wilkins J. 1956. Flow of water through rockfill and its application to the design of dams. Paper presented at the 2nd Australia New Zealand Conference on soil Mech. and Fund Engineering, Adelaide, Australia.

24- Ward J. C. 1964. Turbulent flow in porous media. Journal of Hydraulic Division, ASCE 90 (5): 1-12.

25- Yoshioka M. and Tosaka H. 2012. Review on non-Darcy flow in highly permeable porous media. Journal of Groundwater Hydrology, 52(3): 275-284.