بخشی از مقاله
خلاصه
در این مطالعه با استفاده از نرمافزار Fluent به شبیهسازي هیدرولیک جریان دوبعدي غیردائمی عبوري بر روي یک پله در کانال باز، در شرایط 35 mm هیدرولیکی مختلف براساس تغییر رینولدز و فرود پرداخته شده است. پس از انتخاب مدل آشفتگی RSM، به عنوان مناسبترین مدل موجود، با توجه به تطابق نسبتاً خوب نتایج عددي میدان سرعت و تنش رینولدز با نتایج آزمایشگاهی، به شبیهسازي جریان در شرایط دیگر پرداخته شده است.
طول ناحیه چرخشی با استفاده از تنش برشی بستر محاسبه شده است و وجود wakeزwall در پاییندست پله با توجه به روابط پیشنهادي سایر محققین بررسی شده است.
1. مقدمه
با افزایش نیاز روزافزون بشر به صنعت آب، به منظور ذخیرهسازي و بهرهبرداريهاي گوناگون از آن، ساخت انواع سازهها در رودخانهها و دریاها و کانالهاي عبور آب به شدت، سرعت گرفته است. پلهها، معمولاً در پایین دست رودخانه ها با بستر مواج و سازههاي هیدرولیکی دستساز بشر ساخته میشوند و مانند دیگر موانع، هیدرولیک جریان در پاییندست خود را به شدت تحت تأثیر قرار میدهند. به همین دلیل بررسی پارامترهاي مختلف جریان آشفته عبوري بر روي پله همواره از دیدگاه مهندسی هیدرولیک و رودخانه حائز اهمیت بوده است.
تحقیقات صورتگرفته نشان میدهند، که با عبور جریان از روي پله و تغییر ناگهانی فشار، خطوط جریان مسیر عبوري خود را تغییر میدهند و جدایش جریان از لبه بالایی پله آغاز میشود و یک دنباله در پاییندست مانع به وجود میآید. جدایش جریان باعث ایجاد یک جریان برگشتی در پشت پله میگردد و سپس به دلیل جریان پایینرو قوي که در آنجا ایجاد شده، با کف در نقطهاي به نام نقطه برخورد1که داراي بیشترین فشار میباشد، تماس پیدا میکند و یک ناحیه چرخشی2 در پشت مانع را ایجاد میکند، که این ناحیه به وسیله یک لایه برشی آزاد احاطه شده است و اصطلاحاً این ناحیه را ناحیه دنباله نزدیک 3 مینامند و پس از آن ناحیه دیگري به نام ناحیه دنباله دور4 وجود دارد که مستقیماً تحت تاثیر مانع نمیباشد، که در این ناحیه جریان آشفته ایجاد شده در پشت مانع، در قسمت بیرونی5 دربرگیرنده مشخصههاي یک دنباله میباشد و در قسمت داخلی6 جریان تحت تاثیر دیواره قرار می-
گیرد و این نوع از شکلگیري جریان را پدیده wall-wake مینامند و جزئیات مربوط به این پدیده اولین بار توسط راجاراتنام و راي در سال 1979 مطرح شد و آنها یک مدل دولایهاي را براي آنالیز تحلیلی این پدیده بیان نمودند،که در این مدل در ناحیه بیرونی توزیع سرعت با استفاده از معادله دنباله بیان میشود، درحالیکه در ناحیه داخلی از قانون لگاریتمی جداره براي آنالیز تحلیلی جریان کنار جداره استفاده میشود
در ادامه راي در سال 1986 توانست نشان دهد که براي جریانهایی با گرادیان فشار معکوس متوسط - در نقاطی که پدیده جدایش در لایه مرزي به وجود نمیآید - نیز میتوان از این مدل دولایهاي استفاده نمود. در شکل 1 جریان چرخشی ایجاد شده و wall-wake ایجاد شده در پشت مانع نشان داده شدهاند.
شکل -1 جدایش جریان بر روي مانع و ایجاد ناحیه چرخشی در پشت آن
در موانع راست گوشه اعم از پله، سکو1 و... تغییر ناگهانی در هندسه مانع، تغییرات شدیدي در میدان سرعت را به همراه دارد که نتیجه آن پخش انرژي در آن ناحیه میباشد. به همین دلیل مطالعه جریان عبوري بر روي این موانع به دلیل پیچیدگیهاي خاص خود مورد توجه محققین بوده است. ناکاگاوا و نیزو در سال 1987 جریان عبوري بر روي یک پله در شرایط هیدرولیکی مختلف را به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند و با استفاده از یک دستگاه لیزرداپلر دوبعدي که توانایی اندازهگیري در نواحی جدایش و جریان معکوس را دارا میباشد، پروفیلهاي سرعت و آشفتگی را اندازهگیري نمودند، تا اثرات تغییر عدد رینولدز و فرود بر روي طول ناحیه چرخشی و دیگر پارامترهاي جریان را بهدست آورند. آنها در نهایت به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد رینولدز، ابتدا از طول ناحیه چرخشی کاسته میشود ولی در ادامه مقدار ثابتی براي طول ناحیه چرخشی به وجود میآید.
اما در رابطه با تاثیر عدد فرود به نتایج قاطعی دست پیدا نکردند.[3] فانگ و همکاران نیز در سال 1997 جریان آشفته عبوري بر روي یک سکوي عمودي دوبعدي را به صورت عددي مورد بررسی قرار دادند. براي این مطالعه از تکنیک LES براي محاسبه پارامترهاي آشفتگی استفاده شده است و نتایج به دست آمده نشان میدهد که با افزایش عدد رینولدز، طول ناحیه چرخشی کاهش مییابد.
هدف از انتخاب این مطالعه، آشنایی با ناحیه جدایش و ناحیه جریان معکوس ایجاد شده در پاییندست پله و پروفیلهاي توزیع سرعت و پارامترهاي آشفتگی در داخل و خارج این ناحیه میباشد و علاوه برآن، بررسی دنباله ایجاد شده در پاییندست پله، تحت تاثیر شرایط هیدرولیکی مختلف بر اساس فرود و رینولدز مختلف، از جمله اهداف مورد نظر میباشد.
بدین منظور با استفاده از نرمافزار Fluent به شبیهسازي جریان دوبعدي عبوري بر روي پله که نتایج آزمایشگاهی آن توسط ناکاگاوا و نیزو در سال 1987 به دست آمدهاند، پرداخته شده است و بعد از انتخاب مناسبترین شبکهبندي و مدل آشفتگی موجود، مقایسه بین پروفیل هاي سرعت و آشفتگی در حالت عددي و آزمایشگاهی صورت گرفته است. پس از آن با استفاده از تنش برشی کف، طول ناحیه چرخشی تخمین زده شده است و در نهایت وجود wall-wake ایجاد شده در ناحیه دنباله دور با توجه به روابط پیشنهادي دیگر محققین نشان داده شده است.
2. مشخصات مدل آزمایشگاهی مورد مطالعه
در مطالعه آزمایشگاهی ناکاگاوا و نیزو در سال 1987، جریان عبوري بر روي یک پله در کانال باز، با استفاده از دستگاه داپلر لیزر دوبعدي، که توانایی اندازهگیري پارامترهاي جریان در نواحی چرخشی را نیز دارا میباشد، اندازهگیري شده است. آزمایشات در یک کانال به طول 8 متر و عرض 30 وعمق 20 سانتیمتر انجام شده است. به منظور ایجاد جریان یکنواخت و کاملاً توسعهیافته2 در بالادست، پله با ارتفاع - - H برابر با 2 سانتیمتر در فاصله 6/8 متر از ابتداي کانال قرار گرفته است.
با استفاده از تغییرات ایجاد شده در عمق آب و همچنین تغییر سرعت در ورودي، 6 حالت مختلف جریان با فرود و رینولدز مختلف ایجاد شده است و مشخصات هیدرولیکی مربوط به این حالتها در جدول 1 نشان داده شدهاند، به طوریکه h عمق جریان در پایین- دست، U سرعت ماکزیمم در ورودي، U سرعت در پاییندست، عدد فرود جریان، Re عدد رینولدز جریان مبتنی بر عمق آب در پایین دست میباشند.
جدول -1 مشخصات هیدرولیکی جریان در مدل آزمایشگاهی
3. توصیف محدوده محاسباتی
در مطالعه حاضر از نرمافزار محاسباتی Fluent 6.3.26 جهت حل معادله ناویر استوکس دوبعدي براي جریان غیرقابلتراکم غیردائمی استفاده شده است و معادله پیوستگی و مومنتم با استفاده از آن حل شده است. در این نرم افزار براي انفصال معادلات حاکم بر جریان، روش حجم محدود به کاربرده شده و به دلیل وجود سطح آزاد آب در حل محدوده دوفازي - هوا – آب - از روش حجم سیال - VOF - استفاده شده است. این نرم افزار امکان استفاده از مدلهاي مختلف آشفتگی از جمله k-ε و RSM را به منظور شبیهسازي دقیق جریان فراهم میکند.
طول محدوده محاسباتی به گونهاي در نظرگرفته شده تا جریان یکنواخت و کاملاً توسعهیافته در بالادست ایجاد شود، به همین دلیل فاصله ورودي تا پله برابر با 50Hs و تا انتهاي محدوده برابر با 75Hs در نظر گرفته شده، که Hs=0.02m - ارتفاع پله - میباشد. به دلیل وجود سطح آزاد آب در این مطالعه و به منظور کاهش اثر بالاترین مرز محاسباتی بر روي نتایج حاصله، ارتفاع کانال دو برابر عمق آب میباشد[6] و از شرط مرزي متقارن در این مرز استفاده شده است. در بالادست، دو ورودي جداگانه براي ورود آب و هوا با شرط مرزي سرعت ورودي به همراه اعمال پروفیل هاي سرعت و انرژي آشفتگی و بالتبع در پاییندست، دو خروجی مجزا با شرط مرزي جریان خروجی در مسئله گنجانده شده است.
درکف کانال شرط مرزي دیواره بدون لغزش همراه با حالت صاف از نظر زبري هیدرودینامیکی در مدل اعمال شده است. به منظور پیشبینی دقیق پارامترهاي آشفتگی در نواحی دور از دیواره و همچنین تنش برشی بستر و ایجاد دقت و پایداري حل، وجود یک شبکهبندي مناسب در محدوده محاسباتی و مدلسازي جریان کنار جداره، ضروري است. لذا طراحی این شبکهبندي در نرمافزار Gambit 2.3.16 صورت گرفته است و سه نوع شبکه-بندي مختلف با مینیمم برابر با 0/001 متر و مینیمم برابر با 0/0002 ، 0/0005 و 0/001 متر با یکدیگر مقایسه شدهاند و از بین آنها شبکهبندي با مینیمم برابر با 0/0005 متر که داراي 70122 گره محاسباتی میباشد، به عنوان مناسبترین شبکهبندي انتخاب شده است. در نهایت با مقایسه انجام شده بین مدلهاي آشفتگی k-ε standard, k -ε RNG, k-ε Realizable و RSM، مدل RSM به عنوان مناسبترین مدل آشفتگی محاسباتی انتخاب شده است.
علاوه برشبیهسازي جریان آشفته در شرایط هیدرولیکی مختلف، با توجه به نتایج آزمایشگاهی بهدستآمده توسط ناکاگاوا و نیزو در سال 1987 که مشخصات هیدرولیکی آن در جدول 1 نشان داده شده است، دو حالت عددي 6 و 7 نیز با استفاده از تغییر عمق آب و سرعت جریان به شرایط موجود اضافه شدهاند، که مشخصات هیدرولیکی آنها نیز به طور جداگانه در جدول 2 ارائه شده است، به طوریکه h عمق جریان در پایین- دست، U ماکزیمم سرعت در ورودي، U سرعت در پاییندست، عدد فرود جریان، Re عدد رینولدز جریان مبتنی بر عمق آب در پایین دست میباشند.
جدول -2 مشخصات هیدرولیکی جریان
یکی از قابلیتهاي بسیار مهم نرمافزار Fluent اجراي همزمان یک مدل بر روي چند دستگاه رایانه و یا استفاده همزمان از تمامی هستههاي موجود در پردازشگرهاي چند هستهاي میباشد، که اجراي موازي برنامه نامیده میشود
