ตัวลดพลังงานแบบกะทะของทางระบายน้ำล้นจากแบบจำลองทางชลศาสตร์

Abstract

เขื่อนและอาคารทางชลศาสตร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่จะมีขนาดใหญ่โตเพื่อการกักเก็บและควบคุมปริมาณน้ำซึ่งอยู่ภายใต้ความดันเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานจากการที่มวลน้ำไหลผ่านทางระบายน้ำล้น (Spillway) ด้วยความเร็วสูงสู่ท้ายน้ำด้านล่างนั้นจะเป็นสาเหตุให้เกิดวามเสียหายแก่อาคารทางชลศาสตร์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้ ซึ่งเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา เพื่อป้องกันการกัดเซาะที่จะเกิดขึ้นด้านหลังฐานเขื่อน จากสาเหตุอันนี้จำเป็นที่จะต้องลดพลังงานนี้ลงเสียบางส่วน วิธีหนึ่งในหลาย ๆ วิธีของการสลายพลังงานนี้คือการใช้ตัวลดพลังงานแบบกะทะ (Bucket) สลายพลังงานของมวลน้ำเสียส่วนหนึ่งก่อนที่จะปล่อยให้ไหลลงสู่ลำน้ำต่อไป การศึกษาถึงอัตราการสูญเสียของพลังงานเพื่อให้ได้รูปแบบที่สลายพลังงานได้ดีกว่าด้วยระบบดังกล่าวจากแบบจำลองทางชลศาสตร์ของทางระบายน้ำล้น (Spillway) ซึ่งย่อมาตราส่วน 1:25 ตามกฎเกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน (Law of similitude) นี้ได้กำหนดอัตราการไหลสูงสุดในการทดลองจากสัมประสิทธิ์อัตราการไหลต่อหน่วยความกว้าง [สูตรสมการ] มีค่าตั้งแต่ 26 ลงมา ตามผลการทดลองที่สอดคล้องกันระหว่าง McPherson-Karr และ WES เพื่อนำมาซึ่งผลการทดลองเป็นมาตรฐานสำหรับเปรียบเทียบกะทะรูปส่วนของวงกลมกับรูปส่วนของวงรีและรูปพาลาโบลา ด้วยการปล่อยให้น้ำไหลล้นผ่านทางระบายน้ำล้นจำลองสู่ตัวลดพลังงาน แต่ละชนิดแล้ววัดค่า y₁ และ Y₂) ด้วยเครื่องวัดระดับเฉพาะจุดและกระบอกพลาสติกใสตามลำดับ ก่อนที่จะเกิดสภาวะผืนน้ำพุ่ง (Free-jet) ในกะทะ โดยการควบคุมระดับน้ำท้ายน้ำด้วยบานประตูกั้นน้ำชนิดยกขึ้น ผลที่ได้นี้ถูกคำนวณหาอัตราส่วนของพลังงานที่สูญเสียต่อพลังงานก่อนถูกสลายที่ Fround number ต่าง ๆ โดยไม่คำนึงถึงแรงเสียดทานการกัดเซาะปลายกะทะและแรงตึงผิวที่เกิดขึ้น ผลจากการทดลองครั้งนี้พบว่า ตัวลดพลังงานรูปพาลาโบลาจะมีประสิทธิภาพในการสลายพลังงานได้ดีกว่าส่วนของวงกลมและวงรี เมื่อรูปแบบของการเกิดน้ำกระโดด (Hydraulic Jump) อยู่ในช่วงของ Strong Jump และอัตราส่วนของ h₁/a มีค่ามากกว่า นอกเหนือจากนี้แล้ว แบบส่วนของวงกลมยังมีประสิทธิภาพดีกว่าทั้งสองแบบ