بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای سه جانبی از جمله مجراهای تخلیهکننده سدها هستند که علیرغم محدودیتهای هیدرولیکی، در شرایط خاص توپوگرافی به عنوان بهترین انتخاب مطرح میشوند. تلفات زیاد انرژی، تلاطم و آشفتگی جریان و اعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف و دیوارههای کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی در این سرریزها هستند که همواره مورد توجه بودهاند.
مدلهای فیزیکی به دلیل پیچیدگی جریان و همچین تاثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم بر این نوع مسائل نیستند. لذا در این تحقیق با بکارگیری نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی Ansys CFX که معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادلات پیوستگی و حرکت ناویر استوکس توسط روش حجم محدود و گسسته سازی غیر صریح شبیه سازی گردیده است.
در این رویکرد بررسی پارامترهای هیدرولیکی هندسی مؤثر بر آبگذری و احتمال وقوع کاویتاسیون سرریزهای سه جانبی از اهداف این تحقیق بوده است.به منظور نیل به هدف شبیهسازی جریان دوفازی سطح آزاد با بکارگیری مدل توربولانس RNG k- شبیه سازی شده، همچنین رابطه مناسبی بین ضریب آبگذری و عمق استغراق، به کمک آنالیز ابعادی تخمین و استخراج گردیده است.
ظرفیت آبگذری یک سرریز سه جانبی تابعی از ارتفاع کل جریان، طول موثر تاج و ضریب آبگذری است. ضریب آبگذری نیز به ارتفاع کل جریان، ارتفاع سرریز و شکل پلان این سرریز بستگی دارد. نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع جریان بر روی سرریز، به تدریج مقدار ضریب آبگذری سرریزها به مقدار ثابتی میل میکند .
همچنین با استفاده از بازوهای کناری مایل، تاثیر مناسبی بر میزان ضریب آبگذری ایجاد میکند. در نهایت تحلیل پدیده کاویتاسیون در شرایط مختلف سازه ای حاکی از این بود که در مقطع طولی سرریز ،کانال تنظیم و آبپایه احتمال وقوع پدیده خوردگی و نقطه بحرانی ملاحظه نگردیده است.
.1 مقدمه
شناخت پارامترهای هیدرولیکی سرریز جانبی سه وجهی در طراحی دقیقتر این نوع سرریز نقش بسزایی دارند. در این تحقیق جهت شناخت پارامترهای موثر از مدل آزمایشگاهی استفاده گردیده است. این مدل از دو سرریز اوجی موازی باهم که تشکیل یک کانال جانبی با مقطع نعلی شکل می دهند و همچنین از کانال هدایت، تبدیل و آب پایه تشکیل شده است. تغییرات دبی جریان ورودی، ارتفاع آب پایه، عرض کف کانال و شیب کف کانال از جمله تغییرات هیدرولیکی و هندسی اعمال شده به مدل آزمایشگاهی می باشند.
در این نوع سرریز جریان از قسمت ابتدایی یعنی بخش قوسی آن وارد حوضچه شده و سعی میکند که جریان و امواج ایجاد شده داخل کانال جانبی را به روی تند آب منتقل نماید. در صورتی که لازم است آشفتگیهای داخل کانال جانبی - حوضچه تنظیم - از بین رفته و جریان مستهلک شده وارد تند آب میگردد. جریان وارد شده از جوانب مستقیم سرریز و نیز در وسط حوضچه به هم برخورد مینماید، در این منطقه در اثر برخورد دو جبهه جریان با یکدیگر، انرژی جریان کاهش یافته و ارتفاع سطخ آب افزایش مییابد و به شکل یک گرده ماهی در میآید.
مطالعاتی محدودی بر روی سرریز جانبی سه وجهی انجام شده از جمله موسسه تحقیقات آب در سال - 1374 - بر روی شکل آبپایه، ارتفاع و محل نصب آن و تراز کف کانال جانبی در سه مدل هیدرولیکی سرریزهای سد شهید یعقوبی، جره وسیوند بوده است، فارنی در سال - 1962 - و نایت در سال - 1989 - بر روی ضریب تخلیه و میزان آبگذری مدلهایی از این سرریزها بوده است و همچنین صالحی نیشابوری و منتظر در سال - 1374 - آزمایشگاهی و کلاسیک بر روی تعدادی از پارامترهای موثر بر عملکرد هیدرولیکی این سرریزها مورد مطالعه قرار گرفته است.
در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق و بررسی شرایط مختلف جریان در سرریزهای سه وجهی U شکل، بر اساس ورود جریان متغیر مکانی با افزایش دبی[2]، از تمام جهات از آستانهای U شکل به کانال جانبی و ممانعت از وقوع استغراق مستلزم مطالعات دقیق می باشد. بررسی عملکرد نوع تخلیه و آبگذری سرریز جانبی سه وجهی با هندسه متفاوت بر طراحی و بهینه سازی سازه های مستهلک کننده پایاب در بهبود عملکرد هیدرولیکیسیستم های تخلیه سیلاب مخازن سدها، کاهش هزینههای مرتبط و ریسک پذیری پروژه را کاهش داد اهمیت بسزایی دارد. لذا به دلیل هندسه خاص و پیچیده این نوع سرریز بررسی رفتار جریان در اینگونه سرریزها معمولاً با استفاده از مدل هیدرولیکی صورت می گیرد.
لذا در این مطالعه در این تحقیق شبیه سازی سه بعدی میدان جریان در روی سرریز جانبی چند وجهی - سد جره - [1] با ابعاد واقعی مدل آزمایشگاهی، با استفاده از نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی Ansys Workbench با بکارگیری ماژول Ansys CFX بوده است. در این رویکرد بررسی پارامترهای هیدرولیکی هندسی مؤثر بر آبگذری و احتمال وقوع کاویتاسیون سرریزهای سه جانبی ، همچنین تخمین رابطه مناسبی بین ضریب آبگذری و عمق استغراق، به کمک آنالیز ابعادی از اهداف این تحقیق بوده است.
با توجه به اینکه یکی از روشهای سازهای موثر و در عین حال اقتصادی برای مقابله و حفاظت در برابر سیلاب در کلانشهرها، دفع سیلابها در مناطق بالادست حوزه شهری و استهلاک انرژی جنبشی جریان درپایین دست است، دراین تحقیق ، مسأله اساسی و تمرکز اصلی مطالعات بر روی بخش ورودی آبگذری سرریز جانبی سه وجهی با هندسه متفاوت قرار گرفته است. بررسی عملکرد طرح هندسی سازه سرریز جانبی سه وجهی بر روی میزان هوای ورودی به آن، دبی عبوری، کاهش اغتشاش، استغراق و حفظ شرایط هیدرولیکی مطلوب در کانال تنظیم این نوع سرریزها مورد مطالعه قرار گرفته است.
.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. در تحقیق حاضر با استفاده از معیار برابری عدد فرود در مدل و پروتوتایپ و همچنین در نظر گرفتن دیگر پارامترهای بی بعد موثر در تحقیق و از نتایج مدل های فیزیکی ساخته شده در موسسه تحقیقات آب استفاده گردید.
این تحقیق برمبنای شبیه سازی عددی جریان آب عبوری از سرریز جانبی سه وجهی دینامیک سیالات محاسباتی - Fluid Dynamics Computational - استوار بوده است. بدینمنظور، با بهرهگیری از قابلیتهای پیشرفته نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی Ansys Workbench با بکارگیری ماژول سرآمد Ansys CFX که بر پایه روش VOF میباشد، مدلسازی عددی میدان جریان در سازه مذکور در حالات مختلف انجام شد. برای اطمینان از عملکرد CFD به عنوان یک ابزار طراحی سازه هیدرولیکی و شبیهسازی میدان جریان تشکیل شده، شبیه سازی عددی با اطلاعات کار آزمایشگاهی انجام شده در مؤسسه تحقیقات آب در طرح سد جره اعتبار سنجی شده است.
.2,1 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 همواره شدیداً آشفته است، بنابراین در اینجا از معادلات رینولدز با مدل توربولانس دو معادلهای برای حل جریان آشفته و محاسبه انتقال آشفتگی [4] 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 شده اند
