بخشی از مقاله
خلاصه
شیب شکن مدورِ قائم عملکردبر مطلوبِ سیستم جمعآوری و دفع جریانهای سیلابی نقش عمدهای ایفا میکند که به جهت بهبود شرایط هیدرولیکی از ورود هوا به داخل مجرا جلوگیری و موجب عملکرد کاملا پر عمل مجاری پایین دست در زمان بهره برداری میگردد. در این راستا بررسی بهبود عملکرد هیدرولیکی جریانهای چرخشی با رویکرد افزایش استهلاک انرژی در شیبشکن مدورِ قائم با بکارگیری نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی بررسی گردیده است. برای نیل به این هدف، بررسی عملکرد پیکره بندی مجرای آبگیر و مجرای قائم سازه بر مشخصات هیدرولیکی جریان دوفازی عبوری از سازه شفت دراپ قائم و تاثیر این تغییرات بر روی عمق آب داخل شافت، مسیر حرکت جت ریزشی آب، میزان انرژی مستهلک شده و انرژی باقیمانده جریان و رژیمهای مختلف جریان مورد ارزیابی قرارگرفت.
نتایج حاکی از این است که به ازای دبی ثابت، انرژی نسبی مستهلک شده جریان به مقدار عدد ضربه ،عمق ریزش جریان و قطر دهانه در شفت دراپ وابسته بوده است. شکل هندسی دراپ شفتهای قائم درمیزان استهلاک انرژی تأثیر بسزایی داشته و افزایش عمق موثر ریزش جریان، کاهش قطر دهانه شفت دراپ و کاهش نسبت عرض به عمق شرایط جریان را بهبود بخشیده و به جهت کاهش تلاطم جریان و کاهش بیشتر انرژی، از عملکرد هیدرولیکی مطلوب برخوردار میباشد.در نهایت ابعاد هندسی سازه شفت دراپ علاوه بر محافظت مجرای پایین دست در مقابل آشفتگی و کاهش اغتشاش نقش استهلاک انرژی را عمل نموده است و به ازای شرایط مختلف بهره برداری بایستی عمق لازم جهت استهلاک انرژی اضافی را در داخل حوضچه فراهم آورد.
1. مقدمه
برای هدایت آبهای جمعآوری شده - در اثر وقوع بارشهای شدید - از کانالهای سیلابروی شهری به طرف تونلهای عمیق زیرزمینی و تخلیه آنها به نقاط دفع معین، نیاز به یک سازه اتصال قائم میباشد بهگونهای که بتواند جریان ورودی را به طور ایمن و تحت شرایط مطلوب هیدرولیکی به پاییندست انتقال دهد.در طی این فرآیند انرژی جنبشی جریان تا حد ممکن مستهلک خواهد شد. این سازه،علاوه بر تامین اختلاف ارتفاع مورد نیاز برای مجاری ورودی و خروجی، نقش چاهک بازدید را نیز ایفا مینماید و در اصطلاح به این سازه اتصال قائم، شیبشکن قائم میگویند.
این سازه در سالهای اخیر، کاربرد وسیعی در سیستمهای جمعآوری فاضلابها و سیلابهای شهری در کشورهای توسعهیافته دنیا از جمله در ژاپن، کانادا، انگلیس و آمریکا پیدا نموده است. جریان عبوری از این سازه بصورت ثقلی و سطح آزاد آب، از تراز ارتفاعی بالاتر به تراز ارتفاعی منتقل میشود که با توجه به مشخصات هندسی کانالهای ورودی و خروجی از سازه شیب شکن قائم، مقطع عرضی آن میتواند بصورت مستطیلی یا مدور باشد.
مطالعاتی محدودی درسطح بین المللی در این زمینه انجام پذیرفته است که از آن جمله میتوان به تحقیقات اسلیسکیو همکاران - - 1980 بر روی مدل هیدرولیکی آبگیر مماسی سد مِدئودر قزاقستان، مطالعه مدل هیدرولیکی و بررسی شیب شکنگردابه ای توسط جِین وکندی - - 1983، Christodoulou - 1991 - ، مطالعات آزمایشگاهی بر روی هیدرولیک جریان در شفت دراپ های انتقال فاضلاب با جریان ورودی از نوع فوق بحرانی، 5] Chanson - 2004 - ،[9] [ ،[12] ، مطالعات آزمایشگاهی گستردهای را بر روی حالات مختلف هندسه شفت دراپ مستطیلی از نظر زاویه قرارگیری مجاری ورودی و خروجی این سازه نسبت به یکدیگر، و بررسی استهلاک انرژی در سازه شفت دراپ با ورودی گردابه ای مماسی توسط ژائو و همکاران - - 2006 اشاره نمود.
محمد رضا باقری سبزواری در سال - 1381 - با ساخت مدل آزمایشگاهی متشکل از کانال تقرب و حوضچه آبگیر، تأثیر تغییرات سرعت مماسی، سرعت محوری و سیرکلاسیون جریان تقرب بر بازدهی آبگیری را در سازه آبگیری قائم بررسی نمود.
در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق و بررسی شرایط مختلف آبگیری در سازههای شفت دراپ قائم که با توجه به وضعیت هیدرولیکی کانال بالادست و نحوه انحراف جریان از آن، میتواند در قالب طرحهای هندسی متنوعی اجرا گردد. استفاده از فنآوریهای نوین و تجربیات بینالمللی وجود چالشهای فراوان در طراحی و اجرای ابنیه زهکشی شهری در مناطق پرشیب و کوهستانی و خلاء معیارهای طراحی مورد نیاز در این زمینه ارائه و معرفی سازههای جریان گردابهای در بهبود عملکرد هیدرولیکیسیستمهای تخلیه سیلاب شهری، تخلیه سیلاب مخازن سدها، انتقال فاضلاب، انتقال آب در معابر شهری و برون شهری و... و کاهش هزینههای مرتبط افزایش و توسعه طرحهای کنترل و مدیریت سیلاب شهری در سالهای اخیر به ویژه در کلانشهرها به منظور کاهش اثرات مخرب مادی و جانی ناشی از وقوع سیلابهای شدید در بالادست این مناطق و ضرورت آشنایی با ابنیه هیدرولیکی این سیستمها . پیچیدگی جریان این سازه ها همواره دارای محدودیتهای فراوانی برای تحقیقات آزمایشگاهی بوده است که به همین دلیل این تحقیق براساس شبیهسازی عددی صورت گرفته است.
وقوع بارشهای موسمی در برخی از مناطق خشک و کویری، منجر به تشکیل سیلاب و جاری شدن حجم وسیعی از جریان در سطح معابر شهری و اراضی زراعی میگردد. در صورت عدم وجود زیرساختهای لازم و یا ظرفیتنامناسبِ تاسیسات جهت انتقال و دفع چنین سیلابهایی در مناطق شهری، خسارات جبرانناپذیر جانی و مالی به بار خواهد آمد که میتواند منشا بسیاری از معضلات اجتماعی، اقتصادی و حتی سیاسی گردد. بنابراین، ضرورت طراحی و ساخت انواع ابنیه انتقال و دفع ایمن جریانهای سیلابی در مناطق شهری برای جلوگیری از رخداد بحرانهای احتمالی ناشی از آن، از اهمیت ویژهای در حوزه مدیریت جامع شهری برخوردار است.
یکی از سازههایی که در عملکردطلوبِم سیستم جمعآوری و دفع جریانهای سیلابی نقش عمدهای ایفا میکند، سازه شیبشکن مدورِ قائم1میباشد. برای انتقال جریان سیلابی از تراز ارتفاعی بالاتر به تراز ارتفاعی پایینتر در مسیر کانال انتقال سیلاب، میتوان از شیبشکن مدورِ قائم استفاده نمود. همچنین، این سازه باعث استهلاک انرژی جنبشی مخرب جریان سیلابی و هوادهی طبیعی آن میگردد.
ملاحظات اساسی که در طراحی هیدرولیکی این سازه باید مدنظر قرار گیرد، شامل شرایط هندسی دهانه ورودی سازه، ابعاد هندسی شیب شکن مدور، شرایط هیدرولیکی جریان نزدیکشونده، میدان فشاری ایجاد شده در دیواره و کف سازه شیبشکن، محل برخورد جت جریان ورودی به دیواره شیبشکن، وقوع پرش هیدرولیکی در کانال پاییندست و... میباشند. عملکرد تغییرات هندسه مجرای آبگیر و مجرای قائم این سازه - نظیر قطر، ارتفاع، عمق حوضچه استغراق کف - بر روی عمق آب داخل شافت، مسیر حرکت جت ریزشی آب، میزان انرژی مستهلک شده و انرژی باقیمانده جریان و رژیمهای مختلف جریان مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
لذا در پژوهش حاضر، علاوه بر تعیین ضوابط طراحی هیدرولیکی- هندسی سازه شیبشکن مدور قائم، عملکرد هیدرولیکی مطلوب آن در سیستم تخلیه سیلاب مورد ارزیابی قرار میگیرد. بدین منظور با استفاده از قابلیتهای منحصر به فرد دینامیک سیالات محاسباتی، مدل عددی از سازه مزبور در محیط نرم افزارAnsys CFX به بررسی جریان سه بعدی توسعه داده خواهد شد. برای اطمینان از صحت شبیهسازی عددیِ الگوی جریان عبوری از این سازه، از نتایج آزمایشگاهی معتبر استفاده بعمل خواهد آمد. در نهایت گزینه مناسبی مدلسازی عددی در خصوص پیشبینی شرایط مرزی و اولیه و الگوی جریان در این نوع سرریزها، مبنای سایر ارزیابیها به جهت کاهش هزینه ساخت مدل آزمایشگاهی و انتخاب هندسه مدل بهینه قرار میگیرد.
2. روش تحقیق
بهترین روش برای بهینه کردن سازه های زیر بنایی را استفاده از مدلسازی فیزیکی عنوان نمود. این روش با اینکه بسیار توانمند است ولی در صورت نادیده گرفتن شرایط مقیاسی می تواند نتایجی غیرقابل استناد بدست دهد. در نتیجه درطراحی و ساخت مدل فیزیکی می بایست به این موضوع توجه خاصی شود. ملاحظات اساسی که در طراحی هیدرولیکی این سازه باید مدنظر قرار گیرد، شامل شرایط هندسی دهانه ورودی سازه، ابعاد هندسی شیب شکن مدور، شرایط هیدرولیکی جریان نزدیکشونده، میدان فشاری ایجاد شده در دیواره و کف سازه شیبشکن، محل برخورد جت جریان ورودی به دیواره شیبشکن، وقوع پرش هیدرولیکی در کانال پاییندست و...میباشند.
عملکرد تغییرات هندسه مجرای آبگیر و مجرای قائم این سازه - نظیر قطر، ارتفاع، عمق حوضچه استغراق کف - بر روی عمق آب داخل شافت، مسیر حرکت جت ریزشی آب، میزان انرژی مستهلک شده و انرژی باقیمانده جریان و رژیمهای مختلف جریان مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت. در پژوهش حاضر، به منظور شبیهسازی عددی میدان جریان تشکیل شده در طول سازه شیب شکن قائم مدور - از آبگیر ورودی تا مجرای خروجی آن - و نیز بهبود و ارتقاء عملکرد هیدرولیکی این سازه از نظر افزایش استهلاک انرژی جنبشی مخرب جریان عبوری و ایجاد شرایط مطلوب هیدرولیکی عبور جریان از در مجرای پایین دست، از ساختار هندسی مدل فیزیکی- هیدرولیکی سازه شفت دراپ قائم که در آزمایشگاه مهندسی آکوای دانشگاه کاسانو ایتالیا توسط گراناتا و همکاران - - 2009 ایجاد شده[3]، استفاده بعمل خواهد آمد.
برای صحت سنجی و اطمینان از عملکرد مدل دینامیک سیالات محاسباتی مورد استفاده درپیشبینی میدان جریان، نتایج اولیه مدل عددی توسعه داده شده با نتایج آزمایشگاهی مزبور مطابقت داده خواهد شد. سپس با اعمال تغییراتی در هندسه مجرای آبگیر و مجرای قائم این سازه - نظیر قطر، ارتفاع، عمق حوضچه استغراق کف - ، مشخصههای هیدرولیکی جریان دوفازی عبوری استخراج میگردد و تاثیر این تغییرات بر روی عمق آب داخل شافت، مسیر حرکت جت ریزشی آب، میزان انرژی مستهلک شده و انرژی باقیمانده جریان و رژیمهای مختلف جریان مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.
1,2. معادلات دینامیک سیالات حاکم بر سیال
معادلات حاکم بر حرکت سیال تراکمناپذیر لزج در حالت آشفته، توسط معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده، موسوم به رینولدز بیان میشوند. از آنجایی که جریان در پایین سرریز هموارهشدیداً آشفته است، بنابراین در اینجا از معادلات رینولدز با مدل توربولانس دو معادلهای برای حل جریان آشفته و محاسبه انتقال آشفتگی در حوزه محاسباتی استفاده شده است.لازم به ذکر است که برای حل معادلات حاکم بر جابهجایی و پخش از روش آپویند مرتبه دوم استفاده شده است.در سیستم مختصات کارتزین، معادلات حاکم عبارتند از معادله پیوستگی و معادله مومنتم، که در ذیل ارائه شدهاند
.2,2 مدل جریان اختلاطی دو فازی
با توجه به اهمیت ورود هوا به سطح جریان آب در سازه های هیدرولیکی به شبیه سازی جریان دوفازی سطح آزاد و اختلاطی و عملکرد شبیه سازی نرم افزار روی این مدلهای دو فازی بررسی گردیده است. در مدل سازی جریان از معادلات ناویر استوکس به منظور حل میدان جریان، از الگوی جریان آشفته و نیز با توجه به عملکرد مدلهای چند فازی انتقال بین فازی بوده است .
.2,3 مدل توربولانس - - k-
مدل آشفتگی - - k- که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است[2]، شامل دو معادله انتقال برای انرژی جنبشی آشفتگی - k - و نرخ استهلاک آشفتگی
برای بدست آورن تنش های رینولدز و لزجت گردابه ای می باشد. معادله انتقال استهلاک آشفتگی برابر است با:
RMDTKE ضریب پخش استهلاک آشفتگی است که برای مدل - - k- استاندارد برابر با مقدار0/77 میباشد.[2] دراین تحقیق الگوی سه بعدی جریان در مجاری شفت دراپ با استفاده از مدل توربولانس - - k- از عملکرد و دقت مطلوبی در تعیین پروفیل سطح آب برخوردار است.
3. مدل عددی
1,3. شبیه سازی عددی
با توجه به میدان جریان موجودشفت دراپ ، مدل به صورت سه بعدی و در ابعاد آزمایشگاهی ایجاد شده است. تعیین حوضه حل، شامل انتخاب بخشی از هندسه سازه اصلی است به گونهای که از جهت موقعیت مکانی و ابعاد هندسی طول، عرض و ارتفاع بتواند میدان جریان در شفت دراپ را تحت پوشش قرار دهد. از نقطه نظر مدلسازی دقیقتر شرایط مرزی، مناسبتر آن است که کل سیستم از ابتدای شفت دراپ تا پایین دست به عنوان حوزه حل انتخاب شودکه به علت استخراج نتایج واقعی دقیق و قابل اعتماد، کل مدل هندسی را برای محاسبات عددی به صورت سه بعدی توسط شبیهسازی عددی با استفاده از نرمافزار Ansys CFX استفاده شده است. که معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادلات پیوستگی و حرکت ناویر استوکس توسط روش حجم محدود و گسستهسازی غیر صریح در هر گام زمانی شبیهسازی گردید.
