مقاله تحلیل سه بعدی جریان عبوری از سرریز سد ستارخان

بخشی از مقاله

خلاصه

در این تحقیق جریان سه بعدي درسیستم سرریز سد ستارخان با استفاده از نرم افزار FLOW 3D مدلسازي شده است. توزیع سرعت و فشار و رقوم سطح آب در مقاطع مختلف سرریز و کانال تقرب و جام به دست آمده و نتایج مدل عددي تطابق خوبی را با نتایج مدل فیزیکی نشان می دهد. نتایج حاکی از بروز فشار منفی در سمت راست جریان واقع در ابتداي قسمت نزولی سرریز می باشد. به دلیل انحنادار بودن جام سرریز و فوق بحرانی بودن جریان در سرریز، مدل عددي اختلاف زیادي را در رقوم سطح آب در عرض سرریز آشکار می سازد.

.1 مقدمه

از دیرباز آب از اساسی ترین نیازهاي بشر بوده است. احداث سد بر روي جریان هاي سطحی براي اهدافی نظیر تولید برق و انرژي، تامین آب شرب شهري، آب مورد نیاز کشاورزي و صنعت و... به کار می رود. سرریز در سد از جمله سازه هاي هیدرولیکی پر هزینه می باشد که نقش اساسی در ایمنی سد در مقابل جریان سیلاب ورودي به مخزن سد را دارد، جریان در سرریزها به صورت سه بعدي می باشد مخصوصاً اگر در مسیر جریان انحناء هایی وجود داشته باشد.

لذا شناخت جریان سه بعدي در سرریز سدها، براي رسیدن به معیارهاي طراحی ایمن و بهینه این سازه و همچنین جلوگیري از پدیده هایی نظیر کاویتاسیون در سرریز که موجب تخریب می شود، ضروري است. در این تحقیق سیستم تخلیه سیلاب سد ستارخان مورد مطالعه قرار گرفته است. به دلیل انحناء داشتن جام سرریز سد ستارخان و فوق بحرانی بودن جریان در سرریز، با پدیده جریان فوق بحرانی در انحناءها که کمتر مورد مطالعه عددي قرار گرفته است روبرو هستیم.

در سال هاي گذشته مطالعات عددي مختلفی به صورت 3 بعدي در روي سرریز صورت گرفته است: ورجاوند و همکاران در سال 1387 جریان سه بعدي در سرریز پلکانی را با استفاده از نرم افزار Fl uent شبیه سازي کردند و براي مدل سازي آشفتگی جریان از مدل آشفتگی K-£ استاندارد استفاده کردند - . - 4 Ki won Hong و همکاران در سال2002 جریان 3 بعدي سیستم تخلیه سیلاب سد چند منظوره سویانگ را با استفاده از نرم افزارFLOW3D مدلسازي کردند - . - 2 در این تحقیق نیز جریان 3 بعدي در سیستم تخلیه سیلاب سد ستارخان با استفاده از نرم افزار3FLOWD شبیه سازي شده است.

.2 حوزه مطالعاتی - سیستم تخلیه سیلاب سد ستارخان -

در جناح چپ سد ستارخان اهر، فرو افتادگی طبیعی در فاصله 800 متري از محور رودخانه وجود دارد. این موقعیت مکانی مناسب جهت سیستم تخلیه سیلاب و هدایت جریان از دریاچه سد به سمت رودخانه پایین دست می باشد. سیستم تخلیه سیلاب مشتمل بر چند قسمت می باشد: کانال تقرب، سرریز جانبی، جام، آبپایه و تندآب. کانال تقرب با مقطع ذوزنقه اي شکل و با عرض ثابت 45 متر در کف، با شیب بستر پنج در هزار به طول حدود 230 متر احداث گردیده است که جریان را از مخزن به سرریز هدایت می کند. طول تاج سرریز 50/56 متر و رقوم آن 1451 متر می باشد. رقوم کف کانال تقرب بلافاصله بالادست سرریز 1448/7 متر می باشد. محور کانال تقرب و تندآب تحت زاویه124/5 درجه یکدیگر را در جام قطع می کنند. عرض کف جام از 12 به 25 متر متغیر و با شیب 2 در صد از رقوم1442/74 متر شروع و در رقوم 1441/52 متر به آبپایه ختم می شود. دیوار جام با شیب 3 - قائم-1 افقی - تا رقوم 1456/3 متر تعریف شده است.

.3 محدوده شبیه سازي عددي

در این تحقیق 80 متر از کانال تقرب، سرریز جانبی و جام سرریز و بخشی از تندآب مدل شده است.

.4 مدل هندسی

مدل هندسی محدوده مطالعاتی سیستم تخلیه سیلاب با استفاده از نرم افزار CATI A ایجاد شده است که در شکل 1 نشان داده شده است. گوشه سمت راست و بالاي شکل کانال تقرب را نشان می دهد.

.5 شبیه سازي عددي

مدل هندسی ایجاد شده با فرمت مناسب به نرم افزار Flow3D ارسال می گردد. در این نرم افزار از شبکه بندي منظم استفاده می شود.Flow3D به کاربر این امکان را می دهد که چندین بلوك مش تعریف کند تا بتواند قسمت هاي غیر ضروري را حذف کند. براي مش بندي سرریز سد ستارخان از دو بلوك استفاده شده است. محور x در جهت عمود بر تاج سرریز و محور y به موازات تاج سرریز تعریف شده است. بلوك اول به موازات کانال تقرب بوده و کانال تقرب و سرریز وبخشی از جام را پوشش می دهد. بلوك دوم قسمت دوم جام مرتبط به کانال جانبی تندآب را شامل می شود.
مشخصات بلوك ها در جدول شماره 1 نشان داده شده است. مقادیر جدول بر حسب mm می باشند.

.6 شرایط مرزي

براي xmin در بلوك اول شرط مرزي دبی ورودي برابر با 1300 متر مکعب بر ثانیه - دبی طراحی سرریز - اعمال شده است. براي ymax در بلوك دوم نیز شرط مرزي جریان خروجی1 اختصاص داده شده است. براي مرز مشترك دو بلوك نیز شرط مرزي پیوستگی جریان اعمال شده است. براي سایر مرزها نیز شرط مرزي تقارن اختصاص داده شده است.

.7 شرایط اولیه

رقوم آب برابر با 1451 متر - رقوم نرمال مخزن - براي محدوده ابتداي کانال تا تاج سرریز به عنوان شرط اولیه تعریف شده است.

.8 زمان حل

زمان حل براي شبیه سازي 150 ثانیه در نظر گرفته شده است. پس از 150 ثانیه دبی ورودي تقریباً برابر دبی خروجی است.

.9 صحت سنجی نتایج

براي صحت سنجی، نتایج عددي با نتایج مدل فیزیکی سیستم تخلیه سیلاب سد ستارخان مقایسه شده است. به ازاي دبی عبوري 1300 متر مکعب بر ثانیه عمق آب در نقاط مختلف در دو مدل با هم مقایسه شده است. نتایج این مقایسه در جدول شماره 2 نشان داده شده است. نتایج این جدول حاکی از تطابق نسبتاً خوب نتایج مدل عددي با نتایج مدل فیزیکی در پیش بینی عمق آب می باشد. در هر دو مدل در تاج سرریز عمق آب به دلیل تاثیر انحناء جام سرریز در سمت چپ تاج بیشتر از سمت راست تاج می باشد.

.10 نتایج

محل دقیق مقاطع جهت ارائه نتایج در شکل 2 نشان داده شده است. کنتورهاي فشار و بردارهاي سرعت در مقطع طولی A‐A گذرنده از سمت چپ محور طولی جریان در کانال و تاج سرریز در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به کنتورهاي فشار در این شکل، بیشترین فشار در این مقطع در کف جام سرریز مشاهده می شود. با توجه به رقوم کف جام و افزایش عمق جریان در این محل، افزایش فشار در این محل منطقی است. در محل جام سرریز فشار به صورت یکنواخت از کف تا سطح آزاد آب کاهش می یابد. در کانال تقرب نیز فشار از کف تا سطح آزاد آب به صورت یکنواخت کاهش می یابد. در قسمت اوجی سرریز با افت فشار مواجه هستیم. علت افت فشار در این ناحیه تاثیر شکل اوجی تاج سرریز می باشد.