بخشی از مقاله
بررسی اثر دبی ورودی به پرتابکننده جامی شکل بر طول پرتابه با استفاده از نرمافزار Flow3D
(مطالعه موردی سر ریز سد مخزنی گتوند علیا)
چکیده
سازههای مستهلککننده انرژی، سازههایی هستند که در انتهای سـرریز سـدها بـرای اسـتهلاک انـرژی جریـان آب قـرار میگیرند. از انواع سازههای مستهلککننده انرژی سه نوع آنها که کاربرد فراوانی دارند عبارتند از: حوضچههای آرامـش بـا پرش هیدرولیکی، مستهلککنندههای غلطانی و مستهلککنندههای جامی شکل. مستهلککننده جامی شکل، زمانی کـه شرایط زمینشناسی پایاب سد مناسب باشد، از نظر اقتصادی بسیار مقـرون بـه صـرفه و از نظـر اجـرا و نگهـداری آسـان میباشد، بخصوص در سدهای بلند که انرژی جریان در پای سرریز بسیار زیاد میباشد. در تحقیق حاضـر بـا ثابـت فـرض کردن سایر پارامترها و زاویه لبه انتهایی جام به بررسی اثر دبی جریان خروجی پرتابکننده بر طول پرتابه پرداختـه شـده است. برای نیل به این اهداف ابتدا مدل فیزیکی سرریز سد گتوند علیا در نرمافزار اتوکد به صورت سهبعدی طراحی شده و پس از فراخوانی در نرمافزار Flow3D به تحلیل آن پرداخته شده است. روش کار به این صورت بود که ابتدا برای کالیبره کردن و صحت سنجی مدل نتایج خروجی از نرمافزار را با نتایج مدل فیزیکـی سـد گتونـد علیـا مقایسـه کـرده و پـس از اطمینان از صحت تحلیلها و دقت مدل ریاضی تأثیر دبیهای 0444، 0444، 0444، 12444 و 10444 متر مکعب بـر ثانیه بر طول پرتابه با زاویه ثابت بررسی گردید. نتایج بدست آمده نشان میداد، با افزایش دبی طول پرتاب بیشتر شـده و بیشترین طول نیز مربوط به دبی 10444 متر مکعب بر ثانیه میباشد.
واژههای کلیدی: سرریز، پرتابکننده جامی، استهلاک انرژی، فلیپ باکت، سد گتوند علیا
-1 مقدمه
در سالهای اخیر با افزایش روند رو به رشد ساخت سدهای بلند اهمیت طراحی یک سیستم استهلاک انرژی اقتصادی و مطمئن در پایانه سیستمهای تخلیه سیلاب دوچندان شده است. استفاده از جامهای پرتابی همراه با حوضچه استغراق وابسته در صورت برقراری شرایط زمینشناسی و توپوگرافی مناسب و همچنین نحوه درست بهرهبرداری مزایای اقتصادی و ایمنی قابل ملاحظهای در مقایسه با سایر سازههای استهلاک انرژی دارد. جامهای پرتابی در سدهای بلند با بهرهگیری از سرعت زیاد جریان ورودی به جام، قادر است جریان خروجی از سرریز را بصورت یک جت پرتابی آزاد به نحوی منحرف نماید که در فاصله مطمئنی دور از سرریز و بدنه سد در داخل حوضچه استغراق و یا بستر رودخانه منتقل نماید. از سازهی پرتابکنندهی جامی شکل برای ایجاد جت جریان به صورت پرش اسکی استفاده میشود. متغییر مهم در طراحی پرتابکننده جامی عبارت است از شعاع آن. شعاع پرتابکننده باید آنقدر بزرگ در نظر گرفته شود که بتواند جریان را در مسیر منحنی آن هدایت و تغییر مسیر آن را به نحو مطلوب کنترل نماید و همچنین جریان فضای کافی برای تغییر مسیر داشته باشد. همچنین به این نکته باید توجه داشت که حتیالامکان سعی شود که حداقل شعاع انتخاب شود زیرا که شعاعهای بزرگتر باعث افزایش طول سازه شده و در
1
نتیجه اختلاف ارتفاع قابل توجهی بین کف پرتابکننده جامی و لبه آن ایجاد خواهد شد. عیب چنین پرتابکنندههایی در دبیهای کم نمایان میشود، زیرا ممکن است در قسمت تقعر آن پرش هیدرولیکی تشکیل گردد. با توجه این توضیحات محققین این پژوهش بر آن شدند که تأثیر دبی جریان را تحت زاویه ثابت جام بر طول پرتاب بررسی نمایند.
-2 اصول نظری و تاریخچه تحقیقات
پرتابکنندهی جامی شکل یکی از بخشهای سازه حوضچهی پرتابی یا پرش اسکی میباشد که در مجموع برای انواع سدهای بزرگ و کوچک و نیز سدهای انحرافی با سرریزهای اوجی قابل استفاده میباشد (شکل .(1-2 این نوع سازه بر خلاف سایر انواع سازههای مستهلککنندهی انرژی که انرژی اضافی را در راستای افقی بوسیله ایجاد پرش هیدرولیکی تلف مینمایند، انرژی جنبشی آب را در جهت عمودی و توسط پراکندهسازی جت آب در هوا مستهلک مینماید. از پرش اسکی برای اولین بار قبل از سال 0391 میلادی در فرانسه استفاده شد و از آن روز تا کنون انواع گوناگونی از جام پرتابی با اندازهها و زاویههای مختلف در سراسرجهان در حال اجرا و بهرهبرداری است. در همین راستا اکبری و همکاران (1334) ، جریان را بر روی پرتابکننده جامی شکل به روش حجم محدود مدلسازی نمودند و خصوصیات جریان شامل فشار و سرعت را با نتیج آزمایشگاهی مقایسه کردند. این محققین برای مدلسازی عددی، مدل ریاضی FLOW3D و مدل آشفتگی RNG k- را مورد استفاده قرار دادند. مقایسه نتایج آنها نشان داد که روشهای عددی با دقت مناسبی میتوانند مسیر جریان روی پرتابکننده جامی شکل را شبیهسازی نمایند . ریاضی و همکاران نیز در همان سال اثر بازشدگی دریچه بر روی حفره آبشستگی ناشی از جریان ریزشی جام پرتابی را در دو حالت نرمال و دندانهدار بررسی نمودند و به این نتیجه رسیدند که ابعاد آبشستگی به پارامترهای بسیاری بستگی دارد. بسیاری از محققین در خارج از ایران نیز به مطالعهی پرتابکنندههای جامی شکل پرداختهاند که از مشهورترین آنها میتوان به تحقیقات هگر، لارس و ماسون اشاره کرد. به طور مثال جان و هگرٌ (2444)، پرتابکنندههای جامی را به دو صورت کانال منشوری مستطیل شکل و جام دارای یک منحرفکننده جریان جانبی مورد ارزیابی و بررسی قرار دادند. در تحقیق آنها اثرات مقیاس در مدلهای هیدرولیکی، توزیع فشار در باکت، مسیر پرتابه جریان، شرایط ایجاد جریان نوسانی و روابط آببندشدگی در جامها مورد بررسی قرار گرفت. همچنین لارس و همکارانٍ (2440)، با استفاده از روش اجزا محدود جزئی، توزیع فشار و هندسه جت پرتابی را در پرتابکننده جامی شکل بررسی نمودند و نتایج قابل قبولی به دست آوردند. ماسون نیز تحقیقات بسیاری را در همین راستا انجام داد که عمده این پژوهشها در سالهای 1302 تا 1333 صورت گرفت.
شکل (1-2) محل قرارگیری پرتابکننده جامی شکل
2
-3 مواد و روشها
سد و نیروگاه گتوند علیا روی رودخانه کارون در 22 کیلومتری شمال شهرستان شوشتر و 12 کیلومتری بالادست سد تنظیمی گتوند قرار گرفته است. سد از نوع سنگریزهای با هسته رسی به ارتفاع 172 متر و گنجایش دریاچه 0/23 میلیارد مترمکعب میباشد. هدف از اجرای این سد تولید سالانه 0224 میلیون کیلووات ساعت انرژی برقآبی و کنترل سیلابهای فصلی رودخانه کارون و دبی خروجی از سدهای بالادست است. در این پژوهش از مدل فیزیکی سد مذکور استفاده شده است . با ثابت گرفتن تمام پارامترها، زاویه لبه انتهایی جام همان زاویه اجرا شده سر ریز سد گتوند علیا برابر با 20 درجه برای هر دو مجرای راست و چپ در نظر گرفته شد که با دبیهای 0444، 0444، 0444 ، 12444 و 10444 متر مکعب بر ثانیه مورد بررسی قرار گرفت. علت انتخاب این دبیها به طراحی سد مربوط میشود و دبی 10444 متر مکعب بر ثانیه نیز به دلیل نزدیکی به دبی حداکثر سیلاب انتخاب شد. برای شروع تحقیقات طرح سهبعدی سرریز در نرمافزار اتوکد طراحی و سپس در نرمافزار Flow3D فراخوانی شد (شکل .(1-2
نرمافزار Flow3D از جمله نرمافزارهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) میباشد که کاربرد زیادی جهت مدلسازی شرایط پیچیده سه بعدی، ماندگار و غیرماندگار با شکل و هندسه نامنظم دارد. از جمله کاربردهای دیگر این نرمافزار شبیهسازی هیدرولیکی مسائل رسوب و فرسایش و همچنین مسائل مربوط به پدیدههای انتقال و پخش در محیطزیست می-باشد.
مزایای استفاده از نرمافزار Flow3D کاربر پذیر بودن نرمافزار نسبت به نرمافزارهای مشابه، اجرا و طراحی سریع مرزها و هندسه جامد و همچنین شبکهبندیها، ارائه پیغامهای راهنما به منظور هر چه بهتر شدن شبیهسازی، انتخاب اتوماتیک بهترین بازههای زمانی و بدون نیاز به تعریف بازه زمانی اولیه و مزایایی دیگر میباشد . این نرمافزار توانایی نمایش تغییرات لحظهای پارامترهای هیدرولیکی مختلف مانند عمق و سرعت در جهات مختلف و در هر مقطع دلخواه از سازه را به صورت فایل متنی یا گرافیکی داراست.
نرم افزار Flow3D معادلات حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریبات احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقادیر میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد. نرمافزار Flow3D یکی از قدرتمندترین نرمافزارها برای مدل کردن جریان میباشد که قادر است شرایط جریان را به صورت سهبعدی تحلیل کند. این نرمافزار جهت تحلیل مدل از روشهای مختلفی استفاده میکند، در این تحقیق از مدل RNG که از دقت قابل قبول و بالایی برخوردار است استفاده شده است. لازم به ذکر است که در این پژوهش از نرمافزار Flow3D Ver. 10.0.1 استفاده گردیده است.
3
شکل (1-3) هندسه ترسیم شده سرریز سد گتوند علیا
-4 نتایج و بحث
همانطور که در مقدمه گفته شد در تحقیق حاضر به بررسی طول افقی پرتابه خروجی از سرریز جامی شکل پرداخته شـده، که جهت تحلیل هیدرولیکی جریان از مدل ریاضی Flow3D استفاده گردید. حسب هندسه ترسیم شده در نـرمافـزار اتوکـد و معرفی شرایط مرزی منطبق بر دبیهای طراحی مدل فیزیکی در نرمافزار Flow3D، نتایج بدست آمده از خروجی نرمافـزار بـا نتایج مدل فیزیکی مقایسه شده است تا از صحت خروجیها اطمینان حاصل گردد. برای نیل به این هدف ابتدا بـا دبـی 0444 متر مکعب بر ثانیه نرمافزار را کالیبره کرده که در نهایت مهر تأییدی بر دقت مـدل زده شـد. در مجمـوع 2 سـناریو بـرای ایـن تحقیق اجرا شد که برای رسیدن به اعداد منطقی بیش از 10 مرتبه نرمافزار اقدام به تحلیل کرد، که 13 مورد آن اعدادی غیـر منطقی و خارج از محدوده بودند و یا در طول تحلیل با پیغام خطای نرمافزار محاسبات متوقف میگردید.
-1-4 کالیبراسیون مدل ریاضی
به کنترل سلامت یک پدیده یا یک اتفاق با پدیدهی استاندارد مورد تأیید کالیبراسیون گفته میشود. در این تحقیق مفهوم کالیبراسیون یعنی تطبیق نتایج مدل ریاضی با واقعیت، که در اینجا از نتایج مدل فیزیکی سد گتوند علیا استفاده شده است. برای این منظور در نقطهای به فاصله 130/2 متر از مرکز سرریز و در تراز 130 متر، در مجرای راست به ازای دبی 0444 متر مکعب بر ثانیه، سرعت جریان 21/3 متر بر ثانیه شد که با سرعت 23 متر بر ثانیه به دست آمده در مدل فیزیکی نزدیکی بیشتری داشت. درصد خطا نیز 7/0 شد که بسیار مناسب و قابل قبول واقع گردید.
-2-4 بررسی نتایج خروجی از نرمافزار
پس از اتمام تحلیلها و گرفتن خروجی از نرمافزار برای تمام دبیها و زاویه باکت 20 درجه نتایج به شرح جدول ذیل ارائه گردید (جدول .(1-0 نتایج نشان داد که با افزایش دبی طول پرتاب به دلیل زیاد شدن سرعت جریان در جام بیشتر میشود.
