دانلود رایگان مقاله بهترین سطح مقطع هیدرولیک در کانال سهمی گون افقی
خلاصه
بهترین نوع سطح مقطع کانال هیدرولیک موجب ایجاد حداکثر ظرفیت جریان برای سطح مقطع جریان، حداقل سطح مقطع و محیط اطراف برای میزان تخلیه مشابه می‌شود. هزینه ساخت‌وساز را نیز می‌توان در همان میزان زمان به حداقل مقدار رساند. سطح مقطع سهمی گون افقی (HBP) را می‌توان یک سطح مقطع مرکب در نظر گرفت. مهم است که در فرایند طراحی، پارامترهای نواحی افقی و سهمی گون محاسبه شوند. در این مقاله به بررسی بهترین نوع سطح مقطع هیدرولیک و مشخصه‌های آن پرداخت‌شده است. به‌منظور تعیین ابعاد در بهترین ترکیب از حالت‌های افقی و سهمی گون، روش صریح پیشنهادشده است. این روش و پارامترهای آن موجب تسهیل طراحی کانال می‌شود. مشخص شد که نسبت‌های عرض سطح بالایی به عمق و عرض سطح پایینی به عمق برای مقطع هیدرولیک، ثابت است. در مقایسه باحالت سهمی گون، حالت‌های مستطیلی، ذوزنقه، مثلث، نیم مکعب و نیم مکعب افقی دارای بیشترین ظرفیت جریان هستند و کوچک‌ترین سطح جریان برای همان میزان تخلیه را دارند. نتایج به دست آمده از مقطع هیدرولیک در کانال سهمی گون، قابل‌اعمال به سطح مقطع HBP نیست.
1. مقدمه
بهترین نوع سطح مقطع هیدرولیک منجر به حداکثر ظرفیت جریان خواهد شد. این امر موجب کاهش هزینه ساخت‌وساز تا حداقل مقدار در میزان زمان مشابه می‌شود. درنتیجه انتخاب بهترین نوع سطح مقطع هیدرولیک همیشه یکی از موارد موردبررسی محققان بوده است. چاو روش صریح را برای این نوع سطح مقطع در حالت‌های نیم‌دایره، ذوزنقه، مستطیل، سهمی گون و مقاطع پیوسته بررسی کرد. هانگ و همکاران روشی را برای طراحی کانالی باثبات برای رودخانه را بررسی کردند. وطن‌خواه نوعی از مقاطع چندضلعی منظم را ارائه کرد که یکی بهترین راه‌حل‌ها برای کانال‌های هیدرولیک هستند. هان مقطعی با کف افقی و کناره‌های سهمی گون را ارائه کرد که نشان داد یکی از بهترین حالت‌ها برای سطح مقطع هیدرولیک است. ون و لی محاسبات هیدرولیک برای سطح مقطع نوع 2 نعل اسبی با استفاده از روش ضرب لاگرانژ را ارائه کردند. عبدالرحمن سطح مقطع مرکب با کف ذوزنقه‌ای و سطح بالایی مستطیلی را بررسی کرد. لیو و همکاران مقطع بهینه هیدرولیک که کانالی ترکیبی از کف افقی و کناره‌های عمودی است را پیشنهاد کردند. لو و همکاران مشخصه‌های بهترین مقطع هیدرولیک را برای مقاطع U شکل بررسی کردند. موهانتی و خاتوا، تخلیه و توزیع در کانال‌های مرکب را بررسی کردند. ملکی و خان اثر اشکال مختلف کانال را بر دقت ابعادی و بازده جریان کانال موردبررسی قراردادند.
انواع مختلفی از شکل‌های متعدد کانال وجود دارند که مقطع سهمی گون یکی از آن‌ها است. پیشنهادشده است که کانال‌های غیرخطی باید به شکل سهمی گون باشند. درنتیجه انتقال ازنظر هیدرولیکی کاملاً باثبات خواهد بود. نشان داده‌شده است که ظرفیت تخلیه در مقاطع سهمی گون، بیشتر از مقاطع ذوزنقه‌ای در شرایط یکسان است. هزینه این نوع مقاطع نیز کمتر از مقاطع ذوزنقه‌ای خواهد بود.
مقطع سهمی گون افقی ترکیبی از کف افقی و دو کناره سهمی شکل است. سه بحث در این مورد مطرح است. اولی انتخاب بهترین ترکیب کف و کناره‌ها است. دومی ظرفیت جریان در بهترین حالت هیدرولیک در مقایسه با سایر مقاطع سهمی گون سنتی است و سومی کاربرد مستقیم این مقاطع و مقاطع سهمی گون افقی سنتی است.
در این مقاله بهترین مقطع هیدرولیک و معادلات صریح مربوطه، به‌منظور محاسبه ابعاد مقطع سهمی گون افقی به‌دست‌آمده‌اند. همچنین مقایسه‌ای با مقاطع سهمی گون قدیمی و سایر مقاطع نیز انجام‌شده است.
Abstract
The best hydraulic channel section makes the maximum flow capacity for the same flow cross-area, and the minimum cross-area and wetted perimeter for the same discharge. The construction cost can be reduced nearly to the minimum at the same time. The horizontal bottom parabolic section (HBP section) is a composite section. It is important for design to find the best combination form of the horizontal bottom and the parabolic sides. This paper studies the best hydraulic section and its hydraulic characteristics. The explicit formulae are proposed to determine the dimensions and the best combination form of the horizontal bottom and the parabolic sides. These explicit formulae and the parameters make it easy to design the channel. It is shown that the ratios of the surface width to the depth and the bottom width to the depth are constant for the best hydraulic section. The comparisons with the classic parabolic, rectangular, trapezoid, triangular, semi-cubic and horizontal-bottomed semi-cubic sections show that the HBP section has the largest flow capacity and the shortest wetted perimeter for the same flow area, and has the smallest flow area for the same discharge. It is indicated that the parabolic side parts of the best hydraulic HBP section are different from those of the classic section. The results of the best hydraulic section of the classic parabolic channel cannot be applied directly to the HBC section.
Introduction
The best hydraulic cross-section makes the largest flow capacity for a given cross-area. In other words, the cross-area or the wetted perimeter is the minimum for a given conveyance capacity. It can reduce the construction cost nearly to the minimum at the same time[1]. Therefore, the best hydraulic section is always a focus of research. Chow[2] described the explicit formulae of the best hydraulic section for semi-circle, trapezoid, rectangular, parabolic, catenary sections, which helps greatly the designer. Anwar and Clarke[3,4] introduced the freeboard as an additional parameter to be taken into account when designing a power-law channel. Huang et al.[5] proposed a method to design the stable channel using the minimum principle for the river power. It is shown that the shape of the stable channel is circular. Vatankhah[6] presented a type of semi-regular polygon sections such as semi-square, semi-hexagon and semi-octagon sections, and a general solution for the best hydraulic section. Han[7] presented a channel section with horizontal bottom and semi-cubic parabolic shaped sides, deduced the parameters and formula for the best hydraulic section. Wen and Li[8] proposed the hydraulic calculation formula for the horseshoe II type cross-section with flat bottom. Babaeyan-Koopaei et al.[9] proposed a parabolic bottomed triangular shape section using the Lagrange’s multiplier method. Abdulrahman[10] considered a composite channel section with a lower trapezoidal section and an upper rectangular section. Froehlich[11] presented the most hydraulically efficient lined channel. Liu et al.[12] presented an optimal hydraulic section of the compound channel with horizontal bottom and vertical sides. Lu et al.[13] studied the hydraulic characteristics and the best hydraulic section of the U shaped section. Mohanty and Khatua[14] studied the discharge and its distribution in compound channels. Han et al.[15] deduced the formulae of the best hydraulic section for the ice-covered trapezoidal channel. Maleki and Khan[16] evaluated the effect of different channel shapes for accuracy and efficiency of the open channel flow.
There are varieties of forms of the channel section. The parabolic section is one of them. It was suggested[17,2,7] that the unlined canals and the irrigation furrows all might be approximated by a stable parabolic shape. Therefore, the channels can be made more hydraulically stable by initially constructing them in a parabolic shape. It was shown[18,19] that the discharge capacity of a parabolic section is larger than that of a trapezoid section under the same conditions. The cost of the former is less than the latter[20].
The horizontal bottomed parabolic section is composed of a horizontal bottom and two parabolic sides. There are three issues to be considered. The first one concerns the best combination form of the bottom and the sides. The second one concerns the flow capacity under the best hydraulic condition as compared with the classic parabolic section. The third one concerns the possibility of direct applications of the best hydraulic section of the classic parabolic section to the horizontal bottomed parabolic section.
In this paper, the best hydraulic section and the explicit equations are derived to be used to directly calculate the dimensions of the horizontal-bottomed parabolic section. The comparisons with the classic parabolic section and other types of sections are presented.
خلاصه
مقدمه
1. مقطع سهمی گون سنتی
2. مشخصات مقطع سهمی گون با کف افقی
3. بهینه‌ترین مقطع هیدرولیک در بین مقاطع سهمی گون افقی
3.1 مشخصه‌های بهترین نوع مقطع هیدرولیک
3.2 روابط صریح برای بهترین نوع مقطع هیدرولیک
3.3 عمق نرمال و عمق بحرانی برای بهترین مقطع هیدرولیک
3.4 اعتبارسنجی با استفاده از روش بهینه‌سازی عددی
4. مقایسه با مقطع سهمی گون سنتی
4.1 بهترین مقطع هیدرولیک سهمی گون سنتی
4.2 بهترین مقطع هیدرولیک ذوزنقه‌ای شکل
4.3 مقایسه مقطع سهمی گون سنتی با مقطع ذوزنقه‌ای
4.4 کاربردها
5. مقایسه با سایر مقاطع
6. نتایج
منابع
Abstract
Introduction
1. The classic parabolic section
2. Characteristics of horizontal-bottomed parabolic section
3. Optimum hydraulic section of horizontal-bottomed parabolic section
3.1 Characteristics of the best hydraulic section
3.2 Explicit formulae of the best hydraulic section for design
3.3 The normal depth and the critical depth of the best hydraulic section
3.4 Verification by using numerical optimization method
3.5 Examples
4. Comparison with classic parabolic shaped section
4.1 Best hydraulic section of classic parabolic shaped section
4.2 Best hydraulic section of trapezoid section
4.3 Comparison with classic parabolic section and trapezoid section
4.4 Applications
5. Comparison with other types of sections
6. Conclusions
References