بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به تاثیر پارامتر U/Uc بر اندازه مولفه هاي سرعت سه بعدي در قوس توام با آبشکن T شکل با استفاده از نرم افزار FLOW 3D پرداخته شده است. نتایج بیانگر این است که با افزایش U/Uc، سرعت برآیند و ابعاد آن در ورودي کانال بیشتر میشود . همچنین با افزایش U/Uc سرعت برآیند نزدیک سطح جریان با برخورد به جریان و بالادست آبشکن رو به افزایش و در پاییندست آبشکن نیز سرعت بیشتر میشود.
-1 مقدمه
فرآیند حرکت آب در رودخانه به دلیل متغیر بودن مشخصات اصلی آن از قبیل شیب بستر، شیب طولی، میزان زبري و شرایط حاکم برآن بسیار متغیر و پیچیده است. از آنجا که در طبیعت، مسیر رودخانهها اغلب بصورت قوسی شکل است یا بعبارتی الگوي غالب براي شکل رودخانه در پلان پیچانرودي است، این پیچیدگی در قوس رودخانهها به حداکثر خود میرسد.
قوس رودخانه به خاطر داشتن الگوي خاص جریان بنام جریان حلزونی، همواره مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده است. با ورود جریان به قوس به علت انحناي جریان نیروي گریز از مرکز بر آن اثر میکند. نیروي گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب میشود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق میشود.
این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروي گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی، داخل مقطع شکل میگیرد که به جریان ثانویه موسوم است. جریان ثانویه یا حلزونی همان حرکت مارپیچی ذرات آب میباشد که جهت حرکت آن در جهت کلی جریان آب است. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات موجود در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می شوند.
در این راستا در چند دهه گذشته محققان زیادي به بررسی تاثیر عوامل متعدد تاثیر گذار بر الگوي جریان این سازه پرداختند. در این قسمت به بررسی تعدادي از تحقیقات انجام شده در رابطه با الگوي جریان پیرامون آبشکن در محل قوس اشاره میگردد. Tingsanchali و Maheswaran در سال 1990 در مورد آبشکنهاي مستقر در قوس نیز، یک مدل دوبعدي را جهت الگوي جریان در اطراف آبشکن در کانال هاي انحنادار مورد استفاده قرار دادند که منجر به اضافه کردن یک فاکتور تصحیح به مدل k-ε و معرفی یک فاکتور تصحیح سه بعدي براي محاسبه تنشهاي برشی کف گردید
Peng و Kawauara در سال 1997 با ارائه یک مدل سه بعدي عددي به این نتیجه رسیدند که این مدل عددي، الگوي جریان و ویژگی هاي مهم جریان سه بعدي پشت آبشکن در مسیر مستقیم را بخوبی نشان میدهد. ایشان گزارش کردند که اندازه گردابه در پشت یک آبشکن به طور تدریجی با نزدیک شدن به سمت بالاي آبشکن کم میشود. موقعیت مرکز گردابه در جهت قائم متغیر است و از انتهاي آبشکن و در بستر به سمت دیواره و نزدیک به سطح آب حرکت می کند. همچنین در وجه بالا دست آبشکن، بخشی از جریان به سمت بالا حرکت میکند
Soliman. و همکاران در سال 1997 یک مدل ریاضی دو بعدي براي بررسی اثرات آبشکنها بر روي مورفولوژي قوسهاي رودخانه نیل تبیین نمودند. در این تحقیق از طولها و فواصل مختلف آبشکنها استفاده گردیده تا تاثیر آنها را بر روي تراز سطح آب و مؤلفه هاي سرعت ارزیابی نمایندChen .[3] و Ikeda در سال 1997 دریافتند که در نوسان سطح آب در اطراف آبشکن ها حالت تناوبی آشکاري وجود دارد. این نوسان سطح آب نشأت گرفته از یک اختلاف آشکار بین دو نقطه متوالی علامت گذاري شده بر روي خط مرکزي گردابههاي متحرك است
Giri و همکاران در سال 2004 به بررسی آزمایشگاهی و عددي شبیهسازي جریان و آشفتگی در کانالی مآندري با وجود آبشکنهاي غیرمستغرق پرداختند. ایشان به اندازه گیري سرعت جریان با تغییر دادن موقعیت آبشکنها پرداختند و میدان گردابهها و شدت آشفتگی را با تکنیک درون یابی درجه سوم شبه ذره و بصورت دو بعدي اندازه گیري نمودند
Uijttewaal در سال 2005 با مشاهده اثر ژئومتري بر روي میدان جریان در اطراف آبشکن نتیجه گرفت که نسبت طول به عرض ناحیه جداشدگی آبشکن می تواند بیانگر تعداد و شکل گردابه هاي نمایان شده در ناحیه جریان ایستا باشد و هنگامی که این نسبت نزدیک به یک است یک گردابه ایجاد میشود و اگر این نسبت بزرگتر شود فضاي کافی براي دو گردابه پایدار ایجاد خواهد شد. در این حالت این گردابه بزرگ که گردابه اولیه نام دارد در قسمت پاییندست میدان آبشکن و یک گردابه کوچکتر به نام گردابه ثانویه در نزدیک بالادست آبشکن ظاهر میشود
McCoy و همکاران در سال 2006 به بررسی میدانهاي جریان در اطراف و بین دو آبشکن عمودي در یک کانال باز مستقیم پرداختند که از خصوصیات جریان، جداییهاي بزرگ، اختلاف فشار آشکار بین بالادست و پایین دست آبشکن و ایجاد گردابه هاي ناماندگار میباشد. آنان از روش عددي شبیهسازي گردابههاي بزرگ استفاده نمودند و گزارش کردند که در جریان اصلی گردابههاي نعل اسبی ناماندگار در پایه آبشکنها و در بالادست جریان ایجاد می گردد. همچنین جدا شدن لایه برشی در بالادست نوك آبشکن باعث تشکیل گردابههاي بعدي میشد که این گردابه ها در اندرکنش با گردابه هاي داخل دو آبشکن قابل تشخیص میباشد
Tang و همکاران در سال 2006 به پیشبینی شبیه سازي گردابه بزرگ در اطراف آبشکن در مسیرهاي مستقیم پرداختند، همچنین از مدل شبکه بندي با مقیاس ریز - SGS - با ترکیب معادله پواسون براي آنالیز جریان ثانویه نزدیک آبشکن و از روش حجم محدود براي جداسازي معادلات ناویراستوکس استفاده نمودند.[8]در این مقاله به تاثیر پارامتر U/Uc بر اندازه مولفههاي سرعت سه بعدي در قوس توام با آبشکن T شکل با استفاده از نرم افزار FLOW 3D پرداخته شده است و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
-2 مدلسازي
مدلسازي مورد نظر در کانالی با قوس 90 درجه با استفاده از نرمافزار FLOW 3D انجام گرفت. شکل - 1 - پلان و هندسه قوس مورد نظر را نشان میدهد. این کانال داراي قوس 90 درجه به شعاع انحناي خارجی 2/7 متر و شعاع انحناي داخلی 2/1 متر می باشد. نسبت شعاع قوس به عرض کانال برابر 4 و ارتفاع آن 70 سانتیمتر و عرض آن 60 سانتیمتر است.
کف کانال صلب در نظر گرفته شده است. دبی جریان 25 لیتر بر ثانیه میباشد. آبشکن به صورت صفحات مستطیلی با پلان T شکل می باشد. ضخامت آبشکن 1 سانتی متر 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 آبشکنهاي T شکل انتخاب شده است. با ثابت در نظر گرفتن هندسه آبشکن و براي پنج پارامتر U/Uc مختلف 0/8، 0/9، 0/98، 1/17 و 1/42 و در موقعیت استقرار آبشکن در قوس خارجی - موقعیت 45 درجه - مدلسازي 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 راهاندازي شبیهسازي، چگونگی تعریف شبکه محاسباتی میباشد. تعداد سلولها در یک مش بسیار وابسته به اندازه حوزه تعریف شده میباشد و تعداد سلولها تا حد زیادي تحت تاثیر راه حل، زمان اجرا و دقت قرار می گیرد، از این رو حوزه را براي یک مسئله بایستی به دقت انتخاب کرد.
شکل :1 پلان و هندسه قوس مورد نظر
شکل - 2 - سرعت برآیند نزدیک بستر در قوس توسعه یافته - R=4B - و براي موقعیت استقرار آبشکن در زاویه 45 درجه و براي U/Ucهاي مختلف نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است در ورودي کانال بیشترین سرعت برآیند وجود دارد و هر چه به سمت خروجی کانال در حرکت هستیم سرعت برآیند نسبت به ورودي کانال کمتر میشود.
با برخورد آب به آبشکن در بالادست آبشکن و در محدوده بین ساحل خارجی تا بال آبشکن سرعت بیشتري نسبت به اطراف آبشکن در پایین دست مشاهده میشود و در پایین دست آبشکن کمترین سرعت برآیند در کانال تشکیل میگردد. همچنین در محدوده بین بال آبشکن تا ساحل داخلی شاهد افزایش سرعت برآیند نسبت به اطراف آبشکن میباشیم که بدلیل تنگشدگی مقطع در این قسمت است.
با مقایسه شکل هاي - 2 - الف - تا -2 - ه - که براي U/Ucهاي مختلف میباشد میتوان نتیجه گرفت که با افزایش U/Uc، برآیند سرعت و ابعاد آن در ورودي کانال بیشتر میشود. همچنین با افزایش U/Uc سرعت برآیند با برخورد به جریان و بالادست آبشکن رو به افزایش و در پایین دست آبشکن نیز سرعت بیشتر میشود.
