ओपन-चैनल प्रवाह

द्रव यांत्रिकी और जलगति विज्ञान में, विवृत चैनल प्रवाह, एक प्रकार का तरल प्रवाह है किसी नलिका के विवृत्त सतह के भीतर होती है, जिसे चैनल के रूप में जाना जाता है। नलिका के भीतर दूसरे प्रकार का प्रवाह पाइप प्रवाह है। ये दो प्रकार के प्रवाह कई मानदंडों में समान हैं परंतु एक महत्वपूर्ण दृष्टिकोण में भिन्न हैं: विवृत चैनल प्रवाह में एक विवृत सतह होती है, जबकि पाइप प्रवाह में विवृत्त सतह नहीं होती है।

सेंट्रल एरिज़ोना परियोजना चैनल।

प्रवाह का वर्गीकरण

समय और स्थान के संबंध में प्रवाह की गहराई में परिवर्तन के आधार पर विवृत चैनल प्रवाह को विभिन्न तरीकों से वर्गीकृत और वर्णित किया जा सकता है। ओपन-चैनल हाइड्रोलिक्स में प्रवाह के मूलभूत प्रकार हैं:

• कसौटी के रूप में समय
  • निरंतर प्रवाह
    • प्रवाह की गहराई समय के साथ नहीं बदलती है, या यदि इसे विचाराधीन समय अंतराल के दौरान स्थिर माना जा सकता है।
  • अस्थिर प्रवाह
    • प्रवाह की गहराई समय के साथ बदलती रहती है।
• मानदंड के रूप में स्थान
  • समान प्रवाह
    • चैनल के प्रत्येक भाग में प्रवाह की गहराई समान है। एकसमान प्रवाह स्थिर या अस्थिर हो सकता है, यह इस पर निर्भर करता है कि समय के साथ गहराई बदलती है या नहीं, (हालांकि अस्थिर एकसमान प्रवाह दुर्लभ है)।
  • विविध प्रवाह
    • प्रवाह की गहराई चैनल की लंबाई के साथ बदलती रहती है। तकनीकी रूप से विविध प्रवाह या तो स्थिर या अस्थिर हो सकता है। विविध प्रवाह को या तो तेजी से या धीरे-धीरे-भिन्न के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है:
      • तेजी से विविध प्रवाह
        • तुलनात्मक रूप से कम दूरी पर गहराई अचानक बदल जाती है। तेजी से बदलते प्रवाह को स्थानीय घटना के रूप में जाना जाता है। उदाहरण हाइड्रोलिक कूद और हाइड्रोलिक ड्रॉप हैं।
      • धीरे-धीरे बदलता प्रवाह
        • लंबी दूरी पर गहराई बदलती रहती है।
  • सतत प्रवाह
    • विचाराधीन चैनल की संपूर्ण पहुंच (भूगोल) में डिस्चार्ज स्थिर है। स्थिर प्रवाह के मामले में अक्सर ऐसा होता है। इस प्रवाह को निरंतर माना जाता है और इसलिए इसे निरंतर स्थिर प्रवाह के लिए निरंतरता समीकरण का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है।
  • स्थानिक रूप से विविध प्रवाह
    • एक चैनल के अनुदिश स्थिर प्रवाह का निर्वहन असमान होता है। ऐसा तब होता है जब पानी प्रवाह के दौरान चैनल में प्रवेश करता है और/या छोड़ देता है। एक चैनल में प्रवेश करने वाले प्रवाह का एक उदाहरण सड़क के किनारे का गटर होगा। एक चैनल से निकलने वाले प्रवाह का एक उदाहरण एक सिंचाई चैनल होगा। इस प्रवाह को निरंतरता समीकरण का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है, निरंतर अस्थिर प्रवाह के लिए समय प्रभाव पर विचार करने की आवश्यकता होती है और इसमें चर के रूप में समय तत्व शामिल होता है।

प्रवाह की अवस्थाएँ

खुले-चैनल प्रवाह का व्यवहार प्रवाह की जड़त्वीय शक्तियों के सापेक्ष चिपचिपाहट और गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से नियंत्रित होता है। सतही तनाव का एक छोटा सा योगदान होता है, परंतु अधिकांश परिस्थितियों में यह एक शासी कारक बनने के लिए पर्याप्त महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाता है। एक मुक्त सतह की उपस्थिति के कारण, गुरुत्वाकर्षण आम तौर पर खुले-चैनल प्रवाह का सबसे महत्वपूर्ण चालक है; इसलिए, जड़त्व और गुरुत्वाकर्षण बलों का अनुपात सबसे महत्वपूर्ण आयामहीन पैरामीटर है। पैरामीटर को घृणित संख्या के रूप में जाना जाता है, और इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

$${\text{Fr}}={U \over {\sqrt {gD}}}$$

कहाँ $U$ माध्य वेग है, $D$ एक चैनल की गहराई के लिए विशिष्ट लंबाई का पैमाना है, और $g$ गुरुत्वाकर्षण त्वरण है. जड़ता के सापेक्ष चिपचिपाहट के प्रभाव के आधार पर, जैसा कि रेनॉल्ड्स संख्या द्वारा दर्शाया गया है, प्रवाह या तो लामिना का प्रवाह, अशांत प्रवाह, या लामिना-अशांत संक्रमण हो सकता है। हालाँकि, यह मान लेना आम तौर पर स्वीकार्य है कि रेनॉल्ड्स संख्या पर्याप्त रूप से बड़ी है ताकि चिपचिपे बलों की उपेक्षा की जा सके।

सूत्रीकरण

Further information: Computational methods for free surface flow

खुले-चैनल प्रवाह में उपयोगी मात्राओं के लिए तीन संरक्षण कानूनों का वर्णन करने वाले समीकरण तैयार करना संभव है: द्रव्यमान, गति और ऊर्जा। शासकीय समीकरण प्रवाह वेग वेक्टर क्षेत्र की गतिशीलता पर विचार करने से उत्पन्न होते हैं ${\bf {v}}$ घटकों के साथ ${\bf {v}}={\begin{pmatrix}u&v&w\end{pmatrix}}^{T}$. कार्टेशियन समन्वय प्रणाली में, ये घटक क्रमशः x, y और z अक्षों में प्रवाह वेग के अनुरूप होते हैं।

समीकरणों के अंतिम रूप को सरल बनाने के लिए, कई धारणाएँ बनाना स्वीकार्य है:

1. प्रवाह असंपीड्य प्रवाह है (तेजी से बदलते प्रवाह के लिए यह अच्छी धारणा नहीं है)
2. रेनॉल्ड्स संख्या इतनी बड़ी है कि श्यान प्रसार की उपेक्षा की जा सकती है
3. प्रवाह x-अक्ष पर एक-आयामी है

निरंतरता समीकरण

द्रव्यमान के संरक्षण का वर्णन करने वाला सामान्य निरंतरता समीकरण इस प्रकार है:

$${\partial \rho \over {\partial t}}+\nabla \cdot (\rho {\bf {v}})=0$$

कहाँ $\rho$ द्रव घनत्व है और $\nabla \cdot ()$ विचलन ऑपरेटर है. असंपीड्य प्रवाह की धारणा के तहत, एक निरंतर नियंत्रण मात्रा के साथ $V$, इस समीकरण की सरल अभिव्यक्ति है $\nabla \cdot {\bf {v}}=0$. हालाँकि, यह संभव है कि क्रॉस सेक्शन (ज्यामिति)|क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र $A$ चैनल में समय और स्थान दोनों के साथ परिवर्तन हो सकता है। यदि हम सातत्य समीकरण के अभिन्न रूप से प्रारंभ करें:

$${d \over {dt}}\int _{V}\rho \;dV=-\int _{V}\nabla \cdot (\rho {\bf {v}})\;dV$$

वॉल्यूम इंटीग्रल को क्रॉस-सेक्शन और लंबाई में विघटित करना संभव है, जो फॉर्म की ओर जाता है:

$${d \over {dt}}\int _{x}\left(\int _{A}\rho \;dA\right)dx=-\int _{x}\left[\int _{A}\nabla \cdot (\rho {\bf {v}})\;dA\right]dx$$

असम्पीडित, 1डी प्रवाह की धारणा के तहत, यह समीकरण बन जाता है:

$${d \over {dt}}\int _{x}\left(\int _{A}dA\right)dx=-\int _{x}{\partial \over {\partial x}}\left(\int _{A}u\;dA\right)dx$$

उसको नोट करके $\int _{A}dA=A$ और वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह दर को परिभाषित करना $Q=\int _{A}u\;dA$, समीकरण कम हो गया है:

$$\int _{x}{\partial A \over {\partial t}}\;dx=-\int _{x}{\partial Q \over {\partial x}}dx$$

अंत में, यह असंपीड्य, 1डी विवृत चैनल प्रवाह के लिए निरंतरता समीकरण की ओर ले जाता है:

${\partial A \over {\partial t}}+{\partial Q \over {\partial x}}=0$

संवेग समीकरण

विवृत चैनल प्रवाह के लिए संवेग समीकरण को असंपीड्य नेवियर-स्टोक्स समीकरणों से शुरू करके पाया जा सकता है। असंपीड्य नेवियर-स्टोक्स समीकरण:

$$\overbrace {\underbrace {\partial {\bf {v}} \over {\partial t}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Local}}\\{\text{Change}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {{\bf {v}}\cdot \nabla {\bf {v}}} _{\text{Advection}}} ^{\text{Inertial Acceleration}}=-\underbrace {{1 \over {\rho }}\nabla p} _{\begin{smallmatrix}{\text{Pressure}}\\{\text{Gradient}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\nu \Delta {\bf {v}}} _{\text{Diffusion}}-\underbrace {\nabla \Phi } _{\text{Gravity}}+\underbrace {\bf {F}} _{\begin{smallmatrix}{\text{External}}\\{\text{Forces}}\end{smallmatrix}}$$

कहाँ $p$ दबाव है, $\nu$ गतिज श्यानता है, $\Delta$ लाप्लास ऑपरेटर है, और $\Phi =gz$ गुरुत्वाकर्षण क्षमता है. उच्च रेनॉल्ड्स संख्या और 1डी प्रवाह मान्यताओं का आह्वान करके, हमारे पास समीकरण हैं:

$${\begin{aligned}{\partial u \over {\partial t}}+u{\partial u \over {\partial x}}&=-{1 \over {\rho }}{\partial p \over {\partial x}}+F_{x}\\-{1 \over {\rho }}{\partial p \over {\partial z}}-g&=0\end{aligned}}$$

दूसरा समीकरण हीड्रास्टाटिक दबाव को दर्शाता है $p=\rho g\zeta$, जहां चैनल की गहराई $\eta (t,x)=\zeta (t,x)-z_{b}(x)$ मुक्त सतह उन्नयन के बीच का अंतर है $\zeta$ और चैनल नीचे $z_{b}$. पहले समीकरण में प्रतिस्थापन देता है:

$${\partial u \over {\partial t}}+u{\partial u \over {\partial x}}+g{\partial \zeta \over {\partial x}}=F_{x}\implies {\partial u \over {\partial t}}+u{\partial u \over {\partial x}}+g{\partial \eta \over {\partial x}}-gS=F_{x}$$

जहां चैनल बेड ढलान है $S=-dz_{b}/dx$. चैनल बैंकों के साथ कतरनी तनाव को ध्यान में रखते हुए, हम बल शब्द को इस प्रकार परिभाषित कर सकते हैं:

$$F_{x}=-{1 \over {\rho }}{\tau \over {R}}$$

कहाँ $\tau$ कतरनी तनाव है और $R$ हाइड्रोलिक त्रिज्या है. घर्षण ढलान को परिभाषित करना $S_{f}=\tau /\rho gR$, घर्षण हानियों को मापने का एक तरीका, संवेग समीकरण के अंतिम रूप की ओर ले जाता है:

${\partial u \over {\partial t}}+u{\partial u \over {\partial x}}+g{\partial \eta \over {\partial x}}+g(S_{f}-S)=0$

ऊर्जा समीकरण

ऊर्जा समीकरण प्राप्त करने के लिए, विशेषण त्वरण शब्द पर ध्यान दें ${\bf {v}}\cdot \nabla {\bf {v}}$ इस प्रकार विघटित किया जा सकता है:

$${\bf {v}}\cdot \nabla {\bf {v}}=\omega \times {\bf {v}}+{1 \over {2}}\nabla \|{\bf {v}}\|^{2}$$

कहाँ $\omega$ प्रवाह की चंचलता है और $\|\cdot \|$ यूक्लिडियन मानदंड है. इससे बाह्य बल पद की अनदेखी करते हुए संवेग समीकरण का एक रूप प्राप्त होता है, जो निम्न द्वारा दिया गया है:

$${\partial {\bf {v}} \over {\partial t}}+\omega \times {\bf {v}}=-\nabla \left({1 \over {2}}\|{\bf {v}}\|^{2}+{p \over {\rho }}+\Phi \right)$$

का डॉट उत्पाद लेना ${\bf {v}}$ इस समीकरण से यह प्राप्त होता है:

$${\partial \over {\partial t}}\left({1 \over {2}}\|{\bf {v}}\|^{2}\right)+{\bf {v}}\cdot \nabla \left({1 \over {2}}\|{\bf {v}}\|^{2}+{p \over {\rho }}+\Phi \right)=0$$

यह समीकरण अदिश त्रिगुण उत्पाद का उपयोग करके प्राप्त किया गया था ${\bf {v}}\cdot (\omega \times {\bf {v}})=0$. परिभाषित करना $E$ ऊर्जा घनत्व होना:

$$E=\underbrace {{1 \over {2}}\rho \|{\bf {v}}\|^{2}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Kinetic}}\\{\text{Energy}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\rho \Phi } _{\begin{smallmatrix}{\text{Potential}}\\{\text{Energy}}\end{smallmatrix}}$$

नोट किया कि $\Phi$ समय-स्वतंत्र है, हम समीकरण पर पहुंचते हैं:

$${\partial E \over {\partial t}}+{\bf {v}}\cdot \nabla (E+p)=0$$

यह मानते हुए कि ऊर्जा घनत्व समय-स्वतंत्र है और प्रवाह एक-आयामी है, सरलीकरण की ओर ले जाता है:

$$E+p=C$$

साथ $C$ एक स्थिर होना; यह बर्नौली के सिद्धांत के समतुल्य है। विवृत चैनल प्रवाह में विशेष रुचि विशिष्ट ऊर्जा की है $e=E/\rho g$, जिसका उपयोग हाइड्रोलिक हेड की गणना करने के लिए किया जाता है $h$ इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

${\begin{aligned}h&=e+{p \over {\rho g}}\\&={u^{2} \over {2g}}+z+{p \over {\gamma }}\end{aligned}}$

साथ $\gamma =\rho g$ विशिष्ट भार होना। हालाँकि, यथार्थवादी प्रणालियों के लिए शीर्ष क्षति टर्म को जोड़ने की आवश्यकता होती है $h_{f}$ घर्षण और अशांति के कारण होने वाली ऊर्जा अपव्यय को ध्यान में रखते हुए संवेग समीकरण में बाहरी बलों की अवधारणा को छूट देकर इसे नजरअंदाज कर दिया गया।

यह भी देखें

• एचईसी-आरएएस
• धारा प्रवाह
• अध्ययन के क्षेत्रों
  • कम्प्यूटेशनल तरल सक्रिय
  • द्रव गतिविज्ञान
  • हाइड्रोलिक्स
  • जल विज्ञान
• द्रव प्रवाह के प्रकार
  • लामिना का प्रवाह
  • पाइप प्रवाह
  • लैमिनर-अशांत संक्रमण
  • अशांति
• द्रव गुण
  • फर्जी नंबर
  • रेनॉल्ड्स संख्या
  • श्यानता
• अन्य संबंधित लेख
  • चेज़ी फ़ॉर्मूला
  • डार्सी-वीसबैक समीकरण|डार्सी-वीसबैक समीकरण
  • हाइड्रोलिक जंप
  • मैनिंग फार्मूला
  • उथले पानी के समीकरण#एक-आयामी सेंट-वेनेंट समीकरण|सेंट-वेनेंट समीकरण
  • मानक चरण विधि

अग्रिम पठन

• Nezu, Iehisa; Nakagawa, Hiroji (1993). Turbulence in Open-Channel Flows. IAHR Monograph. Rotterdam, NL: A.A. Balkema. ISBN 9789054101185.
• Syzmkiewicz, Romuald (2010). Numerical Modeling in Open Channel Hydraulics. Water Science and Technology Library. New York, NY: Springer. ISBN 9789048136735.

बाहरी संबंध

• Caltech lecture notes:
  • Derivation of the Equations of Open Channel Flow
  • Surface Profiles for Steady Channel Flow
• Open-Channel Flow
• Open Channel Flow Concepts
• What is a Hydraulic Jump?
• Open Channel Flow Example
• Simulation of Turbulent Flows (p. 26-38)