بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای نیلوفری به عنوان سرریز اضطراری برای عبورسیلابها از مخازن، در جایی که استفاده از سرریز جانبی با سطح آزاد، محدودیت مکانی یا غیراقتصادی است به کار میروند. سرریزهای نیلوفری در دبی های پایین با عملکرد آزاد سرریز، ضریب آبگذری متناظر با افزایش هد مؤثر روی سرریز بوده در حالیکه با افزایش دبی و عملکرد مستغرق سرریز، ظرفیت آبگذری به شدت کاهش یافته و آبگذری و عمق استغراق، نسبت عکس داشته است.
در این رویکرد بر اساس تفاوت زیاد رژیم جریان و نوع آبگذری در دبیهای متفاوت، بررسی عملکرد نوع تخلیه و آبگذری سرریزهای نیلوفری بر طراحی سازه های پایاب اهمیت بسزایی دارد. لذا به دلیل هندسه خاص و پیچیده و عملکرد متفاوت روند رفتار جریان سرریزهای نیلوفری، بررسی الگوی رفتاریجریان در اینگونه سرریزها معمولاً با استفاده از مدل هیدرولیکی صورت می گیرد.
از آنجا که مدلسازی آزمایشگاهی برای تمام حالات مورد ارزیابیمعمولاً مستلزم صرف زمان و هزینه زیادی است، لذا در این تحقیق با بکارگیری قابلیتهای پیشرفته نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی Ansys CFX که معادلات حاکم بر جریان سیال که مشمول معادلات پیوستگی و حرکت ناویر استوکس می باشد، توسط روش حجم محدود و گسسته سازی غیر صریح در هر گام زمانی شبیه سازی گردیده است. بررسی عملکرد شرایط تخلیه سرریزهای نیلوفری برهیدرولیک جریان، پتانسیل کاویتاسیون و ضربه های دینامیکی در روی تنداب و حوضچه آرامش سد البرز از اهداف این تحقیق بوده است.
به منظور نیل به هدف، شبیهسازی جریان دوفازی سطح آزاد با بکارگیری مدل توربولانس - - k- برای دستیابی به الگوی مناسب جریان، مدلسازی شده است. نتایج نشاندهنده این است که وضعیت مشخصات جریان، هد موثر ، نوع آبگذری و تخلیه سرریز نیلوفری، بر هیدرولیک جریان در روی تنداب و حوضچه آرامش تاثیر گذار بوده، بطوری که با عملکرد آزاد سرریز، کاهش شدید سرعت در روی تنداب که ناشی از استهلاک انرژی جنبشی توسط پرش هیدرولیکی مستغرق تثبیت شده در انتهای تنداب بوده است. در حالیکه با عملکرد مستغرق سرریز، ضریب آبگذری و سرعت جریان در سرریز نیلوفری کاهش یافته که منجربه افزایش پتانسیل کاویتاسیون، نوسانات شدید فشار دینامیکی شده، که ایجاد فشار دینامیکی منفی و ضربه روی سطوح بلوک های مستهلک کننده ابتدایی حوضچه آرامش گردیده است.
.1 مقدمه
سرریز نیلوفری یکی از سازههای انتقال آب از مخزن سد به پایین دست میباشد و به دلیل شکل شیپوری آن به این نام معروف شده است. سرریز نیلوفری از یک تاج بتنی دایرهای و شامل سه قسمت اصلی تاج، شفت و یک مجرا یا تونل افقی یا تقریباً افقی تشکیل می گردد. میزان آبگذری این سرریزها به هندسه تاج سرریز، محل قرارگیری این سرریز در داخل مخزن نسبت با تاج سد، هد آب، سرعت ورودی جریان در داخل تاج، وجود و عدم وجود سیستمهای استهلاک انرژی مانند گردابشکنها و پروفیل شفت سرریز و شیب تونل تحتانی بستگی دارد.
این نوع سرریز در جایی که از تونل جهت انحراف آب استفاده میشود، بسیار اقتصادی خواهد بود. سرریزهای نیلوفری در دبی های پایین با عملکرد آزاد سرریز ، ضریب آبگذری متناظر با افزایش هد مؤثر روی سرریز بوده در حالیکه با افزایش دبی و عملکرد مستغرق سرریز ، ظرفیت آبگذری به شدت کاهش یافته و آبگذری و عمق استغراق، نسبت عکس داشته است
بنابراین در سرریز نیلوفری که در حالت آزاد عمل میکند، دارای سرعت شعاعی و سرعت محوری میباشد. در این حالت جریان به صورت مستقیم وارد سرریز میشود، ولی در هنگام بروز پدیده گرداب و وجود سرعت مماسی باعث انحراف مسیر جریان از حالت مستقیم میشود و جریان مسیر طولانیتری را میپیماید و باعث افت انرژی و کاهش ظرفیت تخلیه و پدیده استغراق می شود که بر عملکرد مجاری تخلیه سرریز و تمهیدات پایین دست تأثیر گذار می باشد.
مطالعاتی در زمینههای مختلف بر روی سرریز نیلوفری انجام شده از جمله رانکین - 1958 - درزمینه گرداب تحت فشار و گرداب آزاد، جین - 1978 - در مورد تأثیر کشش سطحی در گرداب و USBR در این مطالعه با ساخت مدل منطبق بر پروفیل از پیش تعیین شده به بررسی دبی عبوری و اثرات گرداب شکن و مقدار فشار در مجرای عمودی و افقی و ،زمردیان و باقری سبزه وار - 1382 - در خصوص تأثیر سرعت مماسی و سیرکولاسیون جریان تقرب بر بازدهی سرریز نیلوفری،حسینی و عالمی - 1389 - بررسی سرریز نیلوفری بصورت عددی و همچنین رمضانی و کاویانپور - 1392 - ضریب آبگذری سرریز های نیلوفری مورد مطالعه قرار گرفته است.
در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق و بررسی شرایط مختلف جریان در سرریزهای نیلوفری، بر اساس تفاوت زیاد رژیم جریان، وجود مولفههای سرعت مماسی، شعاعی و محوری و ایجاد گرداب و شرایط آبگذری در دبیهای مختلف مستلزم مطالعات دقیق می باشد.
بررسی عملکرد نوع تخلیه و آبگذری سرریزهای نیلوفری 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 شبیه سازی سه بعدی میدان جریان در روی سرریز نیلوفری و مجاری تخلیه و تنداب و حوضچه آرامش - سد البرز - ابعاد واقعی مدل آزمایشگاهی، با استفاده از نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی بوده است. بررسی عملکرد شرایط تخلیه سرریز های نیلوفری برهیدرولیک جریان، اثرات عدد فرود بر پارامترهای هیدرولیکی میدان جریان، پرش هیدرولیکی و در نهایت احتمال وقوع کاویتاسیون و ضربه های دینامیکی در روی تنداب و حوضچه سد 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 سرریزهای نیلوفری و مجاری تخلیه آن قرار گرفته است. بررسی عملکرد طرح سازه سرریزهای نیلوفری بر روی میزان هوای ورودی به آن، درصد استهلاک انرژی جنبشی جریان و حفظ شرایط هیدرولیکی مطلوب در مجرای مستهلک کننده پاییندست سرریز 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 نیلوفری 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 البرز 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 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
