بخشی از مقاله
خلاصه
دینامیک جریان در محل تلاقی رودخانهها با شش ناحیه اصلی، ناحیه رکود جریان، انحراف جریان، جدایی جریان، ماکزیمم سرعت، بازیافت جریان و لایههای برشی قابل تشخیص میباشد. در تحقیق حاضر به بررسی تاثیر نسبت دبی بر الگوی جریان در محل تلاقی دو شاخه با استفاده از مدل سهبعدی Flow-3D در تلاقیهای همکف و غیرهمکف پرداخته شده است. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که مدل قابلیت ارزیابی کمی از جریان در تلاقی را دارا میباشد. بررسی الگوی جریان در تلاقی ها نشان داد تفاوت زیادی بین دینامیک جریان در تلاقیهای همکف و غیرهمکف وجود دارد، که با افزایش اختلاف رقوم بستر دو کانال، تراز سطح آب در بالادست کانال اصلی افزایش و در شاخه فرعی کاهش می یابد. نتایج آزمایشات در نسبت دبی های مختلف نشان داد با افزایش نسبت دبی شاخه فرعی به دبی کل در کانال اصلی، طول و عرض ناحیه جداشدگی جریان روند افزایشی داشته و با افزایش دبی شاخه فرعی، مومنتم شاخه فرعی زیاد شده و جریان به سمت دیواره ساحل چپ کانال اصلی متمایل میشود و این پدیده باعث جدایی جریان در گوشه پایین دست تلاقی میشود. در نسبت دبی Qr=0.67 بیشترین طول نسبی ناحیه جداشدگی اتفاق افتاد. با افزایش نسبت دبی، تراز سطح آب در بالا دست کانال افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: تلاقی کانال، نسبت دبی، دینامیک جریان، الگوی جریان، .Flow-3D
1. مقدمه
الگوی جریان و رسوب در اتصال کانالها از دیدگاه های مختلفی چون مهندسی محیط زیست ومهندسی هیدرولیک مهم می باشد. در محل اتصال دوکانال، هیدرودینامیک جریان پیچیده بوده و متغیرهای زیادی دخیل هستند. مسائلی که در این رابطه بوجود می آید مسئله تنگ شدگی و بوجود آمدن نا حیه جدایی در محل اتصال و تغییرات در هیدرولیک جریان از جمله تغییرات در عمق جریان در دوکانال قبل و بعد از اتصال می باشدعموماً. مطالعات آزمایشگاهی واحیاناً صحرایی جزء مطالعات پایه برای این نوع جریان مطرح است از طرفی استفاده از روشهای عددی با وجود کامپیوترهای با سرعت بالا باعث شده که نتایج آزمایشگاهی در تکمیل و واسنجی روشهای عددی نیز کمک بسزائی نمایند. به مقایسه الگوی فرسایش و رسوبگذاری در تلاقی رودخانههای همکف و غیرهمکف پرداختند و اعلام نمودند که وجود اختلاف رقوم بستر در محل تلاقی باعث کاهش حداکثر عمق آبشستگی و افزایش ابعاد چاله فرسایشی در محل تلاقی میگردد. به بررسی عمق آبشستگی در محل تلاقی رودخانه ها ی غیرهمکف پرداختند. نتایج تحقیق ایشان نشان داد در حالتی که دبی کانال فرعی کمتر از %75 دبی کانال اصلی باشد، افزایش اختلاف رقوم دو کانال باعث کاهش عمق آبشستگی و برای دبیهای بیشتر از آن، با افزایش اختلاف رقوم، میزان آبشستگی زیاد میگردد. به بررسی آزمایشگاهی الگوی فرسایش و رسوب گذاری در محل اتصال کانال ها پرداختند. بررسی تاثیر متغیرهای مختلف از قبیل نسبت دبی کانال فرعی به اصلی، نسبت سرعت جریان به سرعت آستانه حرکت و نسبت عرض کانال فرعی به اصلی بر آستانه حرکت و شکل و عمق چاله های فرسایشی در یک اتصال50 درجه پرداختند. نتایج تحقیقات نشان داد که با افزایش نسبت دبی کانال فرعی به اصلی، حرکت چاله فرسایشی در نسبت سرعت جریان به سرعت بحرانی کوچکتر از./5 نیز می تواند رخ دهد. با کاهش عرض کانال فرعی چاله فرسایشی به سمت دیواره روبرویی محل اتصال در کانال اصلی حرکت می کند و در نسبت دبی های بزرگتر چاله فرسایشی به سمت کانال فرعی کشیده شده و عمق فرسایش به عمق جریان نزدیک می شود. همچنین در آزمایش هایی که شدت گردابها و در نتیجه تنش برشی در کف بیشتر است، فقط یک گودال بزرگ در محل اتصال بوجود می آید و گودال های دیگردر پایین دست کانال اصلی به علت حجم زیاد رسوب گذاری با گذشت زمان پر می شود. مطالعات آزمایشگاهی بست بر روی یک تلاقی با چهار زاویه اتصال متفاوت 15، 45، 70 و 90 درجه با پهنای یکسان 15 سانتی متر نشان داد که با افزایش نسبت دبی شاخه فرعی به دبی کل طول و پهنای ناحیه جداشدگی جریان افزایش میباید ولی به ازای نسبتهای دبی مختلف اندیس شکل ناحیه جداشدگی - نسبت پهنا به طول ناحیه جداشدگی - حول مقدار میانگین 0/19 باقی میماند. علاوه بر این نتایج تحقیق آنها نشان داد که با افزایش نسبت پهنای ناحیه جداشدگی به عرض کانال پائین دست از 0/1 تا 0/4 نسبت سرعت حداکثر درناحیه جداشدگی و نزدیک بستر به سرعت متوسط در بالا دست اتصال 1/3 برابر میشود.
2. مواد روشها
-1-2 معرفی نرم افزار
Flow 3D نرم افزاری قوی در زمینه دینامیک سیالات CFD می باشد برای مطالعه رفتار دینامیکی سیالات در موارد کاربردی وسیعی طراحی شده است. یکی از قابلیت های عمده این برنامه برای آنالیزهای هیدرولیکی، توانایی مدل کردن جریان های با سطح آزاد باروش Vof2 میباشد ، این مدل شامل الگوهای فیزیکی بسیاری از جمله آبهای کم عمق ، لزجت، کاویتاسیون، آشفتگی، کشش سطحی ،محیط های متخلخل و غیره است.
معادلات حاکم
معادلات حاکم بر جریان در این نرمافزار شامل معادله پیوستگی، معادله مومنتم و معادله پروفیل سطح آزاد است.
معادله پیوستگی جریان
معادله پیوستگی برای جریان غیرقابل تراکم بهصورت زیر نوشته میشود:
z, y , x ، R و ξ مربوط به سیستم مختصات انتخابی، و RSOR یک ترم مربوط به دانسیته است که بهعنوان مثال برای مدلسازی تزریق جرم از خلل و فرج دیواره استفاده میشود. در سیستم مختصاتی کارتزین مقادیر R و ξ بهترتیب برابر با 1 و 0 در نظر گرفته میشود.
معادلات مومنتم
معادلات حرکت از حل معادلات ناویر- استوکس حاصل خواهند شد و به صورت زیر نوشته میشوند:
در این معادلات: - ، ، - شتابهای بدنه، - ، ، - شتابهای ناشی از لزوجت، - ، ، - افت جریان در محیطهای متخلخل و عبارت آخر سمت راست مربوط به تزریق جرم در سرعت صفر است.
با توجه به غیرقابل تراکم بودن سیال، غیر متخلل بودن محیط سیال، ثابت بودن مرزهای جامد، انتخاب راستای z به عنوان راستای ثقل - در این صورت تنها شتاب وارد بر جریان بوده و در جهات دیگر مقادیر آنها برابر با صفر میباشد = 0 - ، - - و استفاده از سیستم کارتزین، معادلات ناویر-استوکس خلاصه میشوند که برای نمونه در راستای محور طولی - x - معادله خلاصه شده به صورت زیر نوشته میشود:
که در آن F وابسته به نوع مسئلهای است که مدل میشود. مسائل غیرقابل تراکم شامل یک سیال منفرد با سطح آزاد یا دو سیال با سطح مشترک است. برای یک سیال منفرد، F بیانگر جمع حجم اشغال شده با سیال است، بنابراین، برای سیال برابر یک = 1 - - و برای سطح آزاد برابر صفر - = - 0 است.
واسنجی و صحتسنجی نرمافزار Flow 3D
اولین گام در بررسی یک مدل عددی، واسنجی مدل است. بدین معنی که تاثیرات عوامل خارجی را به حداقل رسانده و شرایط مدل به شرایط واقعی نزدیکتر گردد. با توجه به اینکه مدل عددی حاضر از روی مدل آزمایشگاهی ایجاد شده، پس با یک مدل واسنجی شده آزمایشگاهی روبرو هستیم. آنچه در این تحقیق مطرح میشود تحلیل حساسیت مدل عددی از لحاظ زمان شبیهسازی، ارتفاع زبری، و مدل آشفتگی ،اندازه شبکه محاسبات میباشد. برای واسنجی و صحتسنجی نرمافزار از نتایج بررسیهای آزمایشگاهی قبادیان و همکاران - Ghobadian et al., 2006 - مطابق - شکل - 1 استفاده شد که برای تلاقیهای همکف مورد مطالعه قرارگرفته بود استفاده شد. تراز آب در بالادست تلاقی در هر دو شاخه و ابعاد ناحیه جداشدگی جریان از جمله پارامترهایی است که برای صحتسنجی و واسنجی نرمافزار بهکار گرفتهشدند. عرض کانال اصلی 35 سانتیمتر، عرض کانال فرعی 25 سانتیمتر و زاویه اتصال دو کانال 60 درجه بود.
شکل-1 نمایی از موقعیت هندسی کانال های اصلی و فرعی
تنظیم شرایط مرزی مناسب نقش اصلی در انعکاس شرایط واقعی نتایج مدل عددی دارد با این تفاسیر در این مطالعه شرط مرزی ورودی برای کانال اصلی به صورت دبی حجمی، برای شرط مرزی خروجی specified pressure انتخاب شد، ورودی کانال فرعی حالت دبی حجمی و برای سطح
