اندازه‌گیری جریان روی شیب تند با استفاده از سرعت‌سنجی بزرگ مقیاس تصویری ذرات LSPIV

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه های آبی، گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز.

2 استاد بازنشسته گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز.

3 استادیار گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز.

چکیده

اندازه‌گیری جریان در آبراهه‌های روباز همواره یکی از مهم‌ترین موضوعات مد نظر متخصصین علم هیدرولیک بوده است. به‌منظور اندازه‌‌گیری دبی در آبراهه‌‌ها به روش سرعت-مساحت اندازه‌گیری سرعت متوسط جریان ضرورت دارد. اما به­کارگیری روش­های تماسی مثل استفاده از مولینه برای اندازه‌گیری سرعت همیشه میسر نیست و در مواقع سیلاب و هم‌چنین برای جریان‌های کم‌عمق استفاده از این روش‌ها امکان­پذیر نمی‌باشد. رویکردی که اخیراً به‌عنوان یک گزینه غیرتماسی برای اندازه‌گیری جریان در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است استفاده از روش‌های سرعت‌سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان می‌باشد. از جمله این روش­ها گونه­ای از روش PIV  موسوم به LSPIV است که به‌دلیل حذف ضرورت استفاده از لیزر طرفداران زیادی پیدا کرده است. در این مطالعه برای اندازه‌گیری میدان دو بعدی سرعت روی سطح جریان فوق‌بحرانی پر شیب و توربولنت از LSPIV بهره‌گیری شد. از داده‌های سرعت حاصله برای محاسبه شاخص سرعت (VI) که برای تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع و اندازه‌گیری دبی جریان به‌کار می‌رود استفاده گردید و تأثیر تغییرات استغراق نسبی در سه شیب مختلف روی این شاخص بررسی شد. هم‌چنین میدان سرعت سطحی متوسط زمانی برای استغراق‌‌های مختلف به‌صورت کمی مقایسه شد. مقادیر شاخص سرعت به‌دست آمده در این تحقیق در محدوده 612/0 تا 784/0 با مقدار متوسط 701/0 هستند که این مقدار متوسط با مقدار متداول 85/0 حدود 17 درصد اختلاف دارد. در پایان نیز روابطی برای برآورد مقدار شاخص سرعت و متعاقباً دبی جریان با استفاده از استغراق نسبی پیشنهاد و ملاحظه گردید که روش پیشنهادی منجر به برآورد قابل قبول مقادیر دبی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Flow Measurement in Steep Channels Using Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV)

نویسندگان [English]

  • Farhad Akbarpour 1
  • Manoochehr Fathi-Moghadam 2
  • Ahmad Fathi 3
1 PhD Student of Hydraulic Structures, Shahid Chamran University of Ahvaz,Iran.
2 Professor Retired from Department Faculty of Water Structurs,Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.(
3 Assistant Professor, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

Measuring flow discharge in rivers and open channels has always been one of the most important concerns of water sciences experts. The most common flow measurement method in open channels is velocity- area approach. An approach recently considered as a non-contact option for measuring flow is the use of surface flow image velocimetry methods. Recently, the standard PIV method has been used to measure the velocity at larger scales and on the flow surface, which is referred to as the LSPIV (Bieri et al., 2009).
The most common way of converting the surface velocity to the depth-averaged velocity is to use a coefficient called the Velocity Index (VI) which is in fact the ratio of the depth-averaged velocity to the surface velocity. In the literature, the value of the Velocity Index for river flows and laboratory flumes, which were mainly studied for subcritical conditions, is believed to be equal to 0.85, which seems to be an accepted value for this index among the hydraulics communities.
In this research, an image velocimetry technique was used to study the flow characteristics, determine the Velocity Index and investigate the surface flow pattern. The instantaneous surface velocity field was measured using the LSPIV method and then a two-dimensional time-averaged velocity map was obtained for different experiments providing the possibility of comparing the flow pattern in different scenarios. Furthermore, by means of spatial averaging of the time-averaged velocity map, the double averaged surface velocity  was obtained using which and the cross-sectional mean velocity the Velocity Index was calculated. Therefore, the effect of channel slope and relative submergence on the Velocity Index was investigated and relationships were proposed to estimate the VI in steep slopes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • LSPIV
  • Steep Channels
  • Velocity Index (VI)
  • Flow Measurement
  • Supercritical Flow
  • Albayrak, I. and Lemmin, U., 2007, August. Large scale PIV-measurements on the water surface of turbulent open-channel flow. In CFM 2007-18ème Congrès Français de Mécanique. AFM, Maison de la Mécanique, 39/41 rue Louis Blanc-92400 Courbevoie.

 

  • Albayrak, I. and Lemmin, U., 2011. Secondary currents and corresponding surface velocity patterns in a turbulent open-channel flow over a rough bed. Journal of Hydraulic Engineering137(11), pp.1318-1334.

 

  • Bieri, M., Jenzer, J., Kantoush, S.A. and Boillat, J.L., 2009, August. Large scale particle image velocimetry applications for complex free surface flows in river and dam engineering. In 33rd IAHR 2009 Congress. Vancouver, Canada.

 

  • Bradley, A.A., Kruger, A., Meselhe, E.A. and Muste, M.V., 2002. Flow measurement in streams using video imagery. Water Resources Research38(12), pp.51-1.

 

  • Costa, J.E., Spicer, K.R., Cheng, R.T., Haeni, F.P., Melcher, N.B., Thurman, E.M., Plant, W.J. and Keller, W.C., 2000. Measuring stream discharge by non‐contact methods: A proof‐of‐concept experiment. Geophysical Research Letters27(4), pp.553-556.

 

  • Fox, J.F. and Patrick, A., 2008. Large-scale eddies measured with large scale particle image velocimetry. Flow Measurement and Instrumentation19(5), pp.283-291.

 

  • Fujita, I., Muste, M. and Kruger, A., 1998. Large-scale particle image velocimetry for flow analysis in hydraulic engineering applications. Journal of Hydraulic Research36(3), pp.397-414.

 

  • Kantoush, S.A., Schleiss, A.J., Sumi, T. and Murasaki, M., 2011. LSPIV implementation for environmental flow in various laboratory and field cases. Journal of Hydro-environment Research5(4), pp.263-276.

 

  • Lee, J.S. and Julien, P.Y., 2006. Electromagnetic wave surface velocimetry. Journal of Hydraulic engineering132(2), pp.146-153.

 

  • Manes, C., Pokrajac, D. and McEwan, I., 2007. Double-averaged open-channel flows with small relative submergence. Journal of Hydraulic Engineering133(8), pp.896-904.

 

  • Moramarco, T., Barbetta, S. and Tarpanelli, A., 2017. From surface flow velocity measurements to discharge assessment by the entropy theory. Water9(2), p.120.

 

  • Muste, M., Fujita, I. and Hauet, A., 2008. Large‐scale particle image velocimetry for measurements in riverine environments. Water Resources Research44(4), pp. 1-14.

 

  • Novak, G., Rak, G., Prešeren, T. and Bajcar, T., 2017. Non-intrusive measurements of shallow water discharge. Flow Measurement and Instrumentation56, pp.14-17.

 

  • Orlins, J. J. and Gulliver, J. S. 2000. Measurements of free surface turbulence. Fourth International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces, June 5-8., Miami Beach, Florida, the USA, pp. 1-7.

 

  • Pagliara, S., Das, R. and Carnacina, I., 2008. Flow resistance in large-scale roughness condition. Canadian Journal of Civil Engineering35(11), pp.1285-1293.

 

  • Polatel, C. 2006 Signature of the roughness and the flow regime on the free surface. Ph.D. thesis, Univ. of Iowa, Iowa City.

 

  • Raffel, M., C. E. Willert, S. T. Wereley, and J. Kompenhans. 2007 Particle image velocimetry. A Practical Guide, N. Y: Springer

 

  • Shin, S.S., Park, S.D. and Lee, S.K., 2016. Measurement of flow velocity using video image of spherical float. Procedia engineering154, pp.885-889.

 

  • Sutarto, T.E., 2015. Application of large scale particle image velocimetry (LSPIV) to identify flow pattern in a channel. Procedia Engineering125, pp.213-219.

 

  • Tamburrino, A. and Gulliver, J.S., 2007. Free‐surface visualization of streamwise vortices in a channel flow. Water Resources Research43(11).1-12.

 

  • Thielicke, W. and Stamhuis, E. J. 2014. PIVlab- Time-resolved rigital particle image velocimetry tool for MATLAB (version: 1.41).

 

  • Weitbrecht, V., Kühn, G. and Jirka, G.H., 2002. Large scale PIV-measurements at the surface of shallow water flows. Flow Measurement and Instrumentation13(5-6), pp.237-245.

 

  • Welber, M., Le Coz, J., Laronne, J.B., Zolezzi, G., Zamler, D., Dramais, G., Hauet, A. and Salvaro, M., 2016. Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR). Water Resources Research52(2), pp.1108-1126.