بخشی از مقاله
چکیده
آبشکنها سازههای هیدرولیکی میباشند که جهت جلوگیری از فرسایش سواحل رودخانهها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به طبیعت سه بعدی و پیچیده جریان در مسیرهای قوسی شکل، در صورت استقرار آبشکن در قوس، الگوی جریان پیرامون این سازه پیچیدهتر خواهد شد. در این تحقیق الگوی جریان پیرامون آبشکن T شکل مستقر در قوس 90 درجه با استفاده از نرمافزار FLOW 3D در شرایط تغییر موقعیت آبشکن در طول کانال 15 - ، 30، 45 ، 60 و 75 درجه - با دبی ثابت 25 لیتر بر ثانیه و عدد فرود ثابت 0/32 و هندسه ثابت آبشکن مورد بررسی قرار گرفته است.
تغییرات الگوی جریان شامل جریانهای طولی، تغییرات سرعت در مقاطع مختلف عرضی و طولی کانال با استفاده از مدل عددی FLOW 3D محاسبه شد. نتایج حاصل از مدلسازی عددی نشان داد که در حالت استقرار آبشکن در موقعیت 15 درجه از ورودی کانال، گردابه ای به فاصله 6 درصد عرض کانال از ساحل داخلی و طول این گردابه 23 درصد عرض کانال تشکیل یافته و برای آبشکن در موقعیت30 درجه گردابهای به فاصله 10 درصد عرض کانال از ساحل داخلی و طول این گردابه 14 درصد عرض کانال میباشد.
واژههای کلیدی: الگوی جریان، آبشکن T شکل، قوس 90 درجه، موقعیت آبشکن.
مقدمه
قوسها قسمت مهمی از رودخانه بوده و ساماندهی رودخانهها در محل قوس با اهدافی نظیر جلوگیری از مهاجرت جانبی رسوبات، جلوگیری از تغییر انحناء قوس، جلوگیری از تغییرات مورفولوژی و تراز بستر، حفاظت از دیوار خارجی در برابر فرسایش، کنترل رسوبگذاری در مجاورت دیوار داخلی، ..... بخش مهمی از مدیریت رودخانهها میباشد. درک هیدرولیک و هیدرودینامیک جریان در قوس رودخانه، مطالعه جریانهای ثانویه، سرعتهای طولی و عرضی و چگونگی توضیع آنها، نوسانات سرعت و نیز تغییرات سرعت در عمق از جمله مسایل مهمی است که از دیرباز توجه محققین را به خود جلب نموده است.
پیچیدگی الگوی جریان در قوس همراه با پیچیدگی الگوی جریان حول آبشکن، شرایط الگوی جریان حول آبشکن در قوس را دو چندان پیچیده می سازد، زیرا که وجود جریانهای حلزونی در قوس در ترکیب با گردابههای تشکیل شده در بالادست و پاییندست آبشکن تحلیل الگوی جریان را کار مشکلی میسازد. همچنین علیرغم استفاده قابل توجهی که از آبشکن در قوس رودخانهها می گردد هنوز تحقیقات بساری در مورد شکل و انواع آبشکنهای قابل استفاده در قوس ها مورد نیاز است که یکی از این موارد آبشکن T شکل میباشد که با توجه به شکل هندسی سپری مانند خود میتواند یکی از موثرترین ابزار ساماندهی در قوس رودخانه باشد - موسوی نائینی و همکاران، . - 1388
در این راستا در چند دهه گذشته محققان زیادی به بررسی تاثیر عوامل متعدد تاثیر گذار بر الگوی جریان این سازه پرداختند. در این قسمت به بررسی تعدادی از تحقیقات انجام شده در رابطه با الگوی جریان پیرامون آبشکن در محل قوس اشاره می گردد. احمد به بررسی الگوی جریان و الگوی آبشستگی در اطراف آبشکن های منفرد پرداخت. او آبشکنها را تحت زوایای مختلف از 30 درجه تا 150 درجه نسبت به بستر بالادست در فلوم مستقیم قرار داد و مشاهده نمود با افزایش زاویه ذکر شده از 90 درجه سرعت نسبی جریان کاهش مییابد - احمد، . - 1950
پلیارزیک در آزمایشگاه دلفت هیدرولیک هلند تحقیقات اساسی در زمینه بررسی الگوی جریان حول آبشکنها انجام داد و مشاهده کرد که در بعضی رودخانههای هلند که توسط آبشکن حفاظت شده است دیواره رودخانه و مواد تهنشست شده واقع در میدان آبشکنها فرسایش مییابند - پلیارزیک، . - 1989 تینگسانچالی و همکاران الگوی جریان و تنش برشیحول آبشکن را در کانال مستقیم و با بستر صلب، به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. آنها برای بررسی صحت نتایج، اطلاعات خروجی از نرمافزار خود را با دادههای آزمایشگاهی راجاراتنا و همکارانش مقایسه نمودند - تینگسان چالی و همکاران، . - 1990
چن و همکاران تحقیقی در خصوص ناحیه چرخشی ایجاد شده توسط تودههای رسوبی انباشته شده ماسهای در امتداد رودخانه کلرادو انجام دادند آنها بیان کردند که میدان جریان در اطراف آبشکن به چهار ناحیه اصلی تقسیم میشود - چن و همکاران، . - 1997 یجتوال با تحقیق بر روی میدان جریان در یک آبشکن نتیجه گرفت که نسبت طول به عرض میدان آبشکن میتواند بیانگر تعداد و شکل گردابههای نمایان شده در ناحیه جریان ایستا باشد و هنگامی که این نسبت نزدیک به یک باشد یک گردابه ایجاد میشود - یجتوال، . - 2001 دی در یک تحقیق آزمایشگاهی به بررسی الگوی جریان داخل چاله آبشستگی حول سه مقطع متفاوت آبشکن پرداخت - دی، . - 2003 اتما به بررسی الگوی جریان اطراف آبشکن در یک کانال مسطح پرداخت - اتما، . - 2004 گیری و همکاران به بررسی آزمایشگاهی و عددی شبیه سازی جریان و آشفتگی در فلومی شبیه به رودخانههای مئاندری با وجود آبشکنهای غیر مستغرق پرداختند - گیری و همکاران، . - 2004
مک کوی و همکاران به بررسی میدان های جریان در اطراف و بین دو آبشکن عمودی در یک کانال باز پرداختند - مک کوی و همکاران، . - 2005 ناجی ابهری و همکاران به مطالعه آزمایشگاهی و عددی الگوی جریان حول آبشکن در قوس 90 درجه پرداختند. در این تحقیق الگوی جریان اطراف آبشکن در قوس 90 درجه با بستر صلب در شرایط تغییر موقعیت آبشکن در طول کانال 15 - ، 30، 45، 60 و 75 درجه - با دبی ثابت 45 لیتر بر ثانیه و هندسه ثابت آبشکن مورد بررسی قرار گرفته است - ناجی ابهری و همکاران، . - 1388 واقفی و همکاران به مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان سه بعدی پیرامون آبشکن T شکل مستقر در قوس 90 درجه پرداختند. در این پژوهش به اندازهگیری آزمایشگاهی میدان جریان پیرامون قوس 90 درجه و قوس توأم با آبشکن T شکل مستقر در زاویه 75 درجه پرداخته شد - واقفی و همکاران، . - 1388
مدلسازی
مدلسازی مورد نظر در کانالی با قوس 90 درجه با استفاده از نرم افزار FLOW 3D انجام گرفت. شکل - 1 - پلان و هندسه قوس مورد نظر را نشان می دهد. این کانال دارای قوس 90 درجه به شعاع انحنای خارجی 2/7 متر و شعاع انحنای داخلی 2/1 متر می باشد. نسبت شعاع قوس به عرض کانال R/B=4 میباشد که این قوس در دسته بندی قوس های توسعه یافته قرار دارد. ارتفاع آن 35 سانتیمتر و عرض آن 60 سانتی متر است. کف کانال صلب در نظر گرفته شده است. دبی جریان 25 لیتر بر ثانیه می باشد . آبشکن به صورت صفحات مستطیلی با پلان T شکل می باشد. ضخامت آبشکن 1 سانتیمتر و ارتفاع آن 30 سانتی متر در نظر گرفته شده است. همچنین طول آبشکن 9 سانتیمتر و برابر طول بال آبشکن و معادل 15 درصد عرض کانال در نظر گرفته شده است.
اندازه ها بر اساس معیار احمد در مورد آبشکن های T شکل انتخاب شده است. با ثابت در نظر گرفتن هندسه آبشکن وعدد فرود 0/32 و درپنج موقعیت استقرار آبشکن در قوس خارجی - موقعیت 15، 30، 45، 60 و 75 درجه - مدلسازی انجام گردید. دبی جریان در کلیه مراحل ثابت و برابر 25 لیتر بر ثانیه و از آب تمیز با درجه حرارت 20 درجه سانتیگراد استفاده شده است. یکی از مهمترین مسائل در نظر گرفته شده در هنگام راه اندازی شبیهسازی، چگونگی تعریف شبکه محاسباتی می باشد. تعداد سلول ها در یک مش بسیار وابسته به اندازه حوزه تعریف شده می باشد و تعداد سلول ها تا حد زیادی تحت تاثیر راه حل، زمان اجرا و دقت قرار می گیرد، از این رو حوزه را برای یک مسئله بایستی به دقت انتخاب کرد.
تعداد مش ها زمان محاسباتی را افزایش می دهد و کاربران نسبت به اندازه مش باید بخش استفاده شده از حوزه مش را کاهش بدهند، با استفاده از چند بلوک می توان قسمت های غیر ضروری را حذف کرد.بعد از ترسیم شکل در صفحه برنامه، نوبت به مش بندی شکل می رسد و در این برنامه دو نوع مختصات مش بندی وجود دارد: نوع اول مش بندی کارتزین - Mesh- Cartesian - و نوع دوم مش بندی استوانه ای - Mesh - Cylindrical - در این نوع مش بندی که مدلسازی به این روش انجام شده است مش را به صورت مختصات استوانه ای - U' '] - ترسیم می کند، در اینجا - r - شعاع قوس، - - زاویه و - z - ارتفاع میباشد و در صفحه اصلی به جای - r - x ، - - \ و - z - z نمایش داده شده است.
در برنامه فوق جهت ترسیم شکل نیز دو روش وجود دارد، روش اول ترسیم توسط نرم افزار اتوکد و روش دیگر ترسیم در نرم افزار.Flow 3Dشرایط شبکه بندی مدل از نظر تعداد سلول برابر 74520 سلول می باشد که 23 سلول در جهت X و 90 سلول در جهت Y و 36 سلول در جهت Z می باشد. همچنین بر طبق توصیه این نرم افزار به منظور حفظ دقت جوابها، نسبت بین اضلاع سلول های مستطیل در شبکه کمتر از 3 انتخاب شده است .شرایط مرزی این مدل سازی Xmin = Wall، Xmax = Wall، Ymin = output، Ymax = volume flow rate، Zmin = Wall، Zmax = Symmetry در نظر گرفته شده است.معرفی معادلات حاکم معادله پیوستگی جرم به طور کلی به صورت زیر است:
که VF کسر حجمی باز به جریان و دانسیته سیال و RDIF ترم نفوذپذیری آشفتگی و R_SOR برابر مرجع جرم است. اجزاء سرعت - u,v,w - در جهات z,y,x یا ]' 'U هستند.
Ax برابر مساحت کسری محیط به جریان در جهت x وAy و Az برابر کسرهای محلی مشابه برای جریان در جهات y و z، ضریب R وابسته به انتخاب سیستم مختصات به صورت زیر است.
وقتی که مختصات استوانهای استفاده شود مشتقات y باید به مشتقات قطبی تبدیل شود:
به طوریکه y=rm و rm برابر مبدا ثابت شعاع است - مرجع شعاع - .انتقالی که با معادله بالا نشان داده شده بسیار راحت و آسان است. برای اینکه برای انجام آن فقط ضرب R=rm/r روی هر مشتقy در معادلات کارتزینی اصل انجام میشود. وقتی که از مختصات کارتزین استفاده شود R برابر یک و برابر صفر است. اولین ترم در طرف راست معادله پیوستگی جرم برابر ترم نفوذ آشفتگی است:
