بخشی از مقاله
خلاصه
طراحی سرریزهای نیلوفری به عنوان سرریز اضطراری باید به گونه ای باشد که جریان سطح آزاد حاکم وتونل آن در دبی ماکزیمم بایستی جریانی با سطح آزاد در مقطع انتهایی حاکم باشد که جریان هوا از مقطع پایین دست وارد تونل شده و از ایجاد فشار منفی در تونل جلوگیری می شود. در این راستا عملکرد هیدرولیکی شفت هوارسان بر تغییرات مدلهای چند فازی جریان و استهلاک انرژی مجاری سرریز نیلوفری با بکارگیری نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی بررسی گردیده است. نتایج نشاندهنده این است که بدون عملکرد شفت هوارسان در شرایط کنترل تاج جریان سطح آزاد ، عمق استغراق کمتر از حالت هوارسانی بوده که با افزایش دبی عبوری این عمق استغراق افزایش یافته و تونل پایین دست، تحت فشار جریان دو فازی اختلاطی قرار گرفته است.
در حالیکه با عملکرد شفت هواده مقدار عمق استغراق با افزایش دبی تا قبل از خفگی کامل سرریز کاهش یافته و در این رویکرد عمق استغراق کمتر از حالت عدم بکارگیری هوارسان است و کنترل در شفت قائم بوده است. همچنین به ازای دبی معین در زمانی که سرریز دچار خفگی کامل است با عملکرد شفت هوارسان وضعیت به آستانه خفگی مبدل شده و تراز مخزن افزایش یافته و نقطه کنترل از تاج به شفت قائم منتقل شده و در این شرایط می توان عملکرد را بهینه می گردد. در نهایت با بکارگیری شفت هوارسان استهلاک انرژی بیشتری رخ داده که با تأمین هوای مناسب و تضمین وجود جریان سطح آزاد در تونل پایین دست احتمال رخ داد کاویتاسیون به حداقل می رسد.
واژه های کلیدی: هوادهی، دینامیک سیالات محاسباتی، مدل توربولانس، معادلات ناویر استوکس ، جریان سطح آزاد
1. مقدمه
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 . 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[3]،[5]،[6]و.[7]
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 - سد البرز - [1] ابعاد واقعی مدل آزمایشگاهی، با استفاده از نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی بوده است. بررسی بررسی عملکرد هیدرولیکی مدلهای چند فازی با در نظر گرفتن تأثیر شفت هوارسان بر پارامترهای هیدرولیکی سرریزهای نیلوفری 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 1استوار بوده است. بدینمنظور، با بهرهگیری از قابلیتهای پیشرفته نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی Ansys Workbenchبا 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.
3. 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 می-شوند. 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 [3] 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 [8] و.[9] معادله پیوستگی جرم که بهطور کلی بهصورت زیر است:
که نسبت کسر حجمی فضای باز به جریان،جرم مخصوص سیال، ترم نفوذپذیری آشفتگی و برابر منبع جرم است. u ، v و W اجزای سرعت و،وبرابر مساحت کسری محیط به جریان به ترتیب در جهتهای x، Y و z هستند. معادله مومنتم به شرح زیر است .در معادلات زیر Pفشار، نیروی گرانش در راستای i و تنش رینولدز است.
.3,1 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 .
.3,2مدل توربولانس - - k-
مدل آشفتگی - - k- که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است[4]، 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:[4] که ضرایب آن : C2e برابر 1/44 و C3e برابر 0 /22 می باشد. ترم پخش استهلاک برابر است با :[4] RMDTKE ضریب پخش استهلاک آشفتگی است که برای مدل - - k- استاندارد برابر با مقدار0/77 میباشد.[4] دراین تحقیق الگوی سه بعدی جریان بر روی سرریز نیلوفری با استفاده از مدل توربولانس - - k- از عملکرد و دقت مطلوبی در تعیین پروفیل سطح آب برخوردار است.
4. مدل عددی
1,4.شبیه سازی عددی
مدلسازی سه بعدی میدان جریان در روی سرریز نیلوفری و عملکرد هیدرولیکی شفت هوارسان بر شرایط تخلیه سیال و استهلاک انرژی مجاری سرریز نیلوفری و بررسی احتمال وقوع کاویتاسیون سرریزهای نیلوفری سد البرز[1] 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. در این راستا مدل سرریز نیلوفری بدون شفت هوارسان و همراه با شفت هواده در دبی های مختلف مقایسه گردید و پارامتر های هیدرولیکی ، تراز آب بر روی تاج ، ضریب تخلیه، سرعت مورد مطالعه قرار گرفت.
