بخشی از مقاله
خلاصه
از جمله مهمترین اهداف احداث حوضچه های آرامش، عملکرد مناسب در جهت استهلاک انرژی با ایجاد پرش هیدرولیکی می باشد. ابعاد سازه های مستهلاک کننده انرژی بستگی مستقیم به مشخصات پرش هیدرولیکی دارد از این رو برای اقتصادی کردن این سازه ها از دیرباز مطالعات گسترده ای به منظور مطالعه مشخصات پرش هیدرولیکی و چگونگی کنترل آن و یا به حداقل رساندن ابعاد آن صورت گرفته است. که ازآنجاکه مدلسازی آزمایشگاهی معمولاً مستلزم صرف زمان و هزینه زیادی است، در این تحقیق برای بررسی لایه مرزی پرش هیدرولیکی ناشی از عملکرد مستهلک کننده ها در حوضچه آرامش تنداب واگرا سد البرز توسط شبیهسازی عددی با استفاده از نرمافزار حجم محدود شبیهسازی گردید . نتایج نشاندهنده این است که بکارگیری بلوکهای حوضچه تأثیر مثبتی در بهبود عملکردپرش هیدرولیکی داشته و منجر به تثبیت پرش در حوضچه داشته است.
به ازای مقادیر بالاتر ازدبی طرح پرش هیدرولیکی از ابتدای حوضچه آرامش دور شده و رفتار جریان سطح تندآب تحت تأثیر عمق جریان در حوضچه آرامش بوده که نشاندهنده عملکرد واگرایی عرضی تنداب در طول است که سطح آب درمجاورت دیواره ها نسبت به امتداد وسط حوضچه ناشی ازاثر تلاطم و حرکت مورب امواج عرضی به طرف دیوارها و توسعه لایه مرزی روی دیوارهای کناری و ورود هوای خیلی سریع در جریان های آشفته، موج دارو متلاطم است. در حالیکه در دبی طرح محل ورود و اختلاط فاز آب وهوا و شکل گیری پرش بر روی تنداب بوده که منجر به تثبیت پرش هیدرولیکی مستغرق داخل حوضچه آرامش ، رفتار جریان در حوضچه آرام، پروفیل سطح آب به صورت مقعر و تقریباً یکنواخت بوده است.
.1 مقدمه
از جمله مهمترین اهداف احداث حوضچه های آرامش، عملکرد مناسب در جهت استهلاک انرژی با ایجاد پرش هیدرولیکی می باشد. هر چند مطالعات زیادی بر روی پرش هیدرولیکی انجام شده و پیشنهادات کاربردی با راندمان هیدرولیکی مناسب برای طراحی حوضچه های آرامش پایین دست سدها انجام شده است ولی ضرورت انجام مطالعات بیشتر بر روی تغییرات هندسی و میزان استهلاک انرژی لازم به نظر می رسد.از سوی دیگر استهلاک انرژی در سدهای بزرگ، منجر به طرح حوضچه آرامش با طول زیاد و عمق خواهد شد، که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد. روشهای عددی و تحلیلی و روابط تجربی موجود به دلیل پیچیدگی رفتار دینامیکی سیالات و خصوصأ وجود جریانهای دوفازی سرریزها محدودیتهای زیادی دارند. پرش هیدرولیکی یک نوع جریان متغیر سریع در کانالهای باز است.
ویژگیهای یک پرش هیدرولیکی عبارت است از: آشفتگی بالای جریان، نوسان در بدنه پرش، ایجاد امواج پایین دست، اختلاط هوا، استهلاک انرژی به خاطر وجود آشفتگی، پتانسیل سایش و تولید پاشش و صدا می باشد. با این حال جدیترین مشکل مستهلککننده پرش هیدرولیکی بیشتر از جنبه مقاومت سازهای است تا کارآیی هیدرولیکی است. نمونه های حوضچههای آرامش را نشان میدهد که متحمل خرابیهای جدی به علت برکنش، ارتعاش، خلأزایی و ساییدگی[2]و[4] شدهاند که تمام اینها ناشی از ساختار درونی پرش هیدرولیکی است.
مطالعاتی در زمینههای مختلف بر روی تنداب وحوضچه انجام شده از جمله حسینی وعالمی - - 1389سرریز نیلوفری بصورت عددی مورد بررسی و نتایج با تحقیقات آزمایشگاهی و استانداردهای معتبر USACE - و - USBR مورد مقایسه قرار گرفت، چاندری و گارانجیک* در سال 1991، مدل یک بعدی براساس معادلات یک بعدی جریان دائمی بوسینسک ارائه کردنعبد،القادِر و اِلانگُو در سال - 1982 - ، در زمینه نوسانات فشار در پرشهای هیدرولیکی مطالعاتی را انجام دادند. اکبری در سال - 1982 - تحقیقاتی در زمینه خصوصیات فشار آشفتگی - متلاطم - از پرشهای هیدرولیکی آزاد و درهم انجام دادند .
در این رویکرد ضرورت فرآیند تحقیق و بررسی شرایط مختلف جریان ساخت سازه های هیدرولیکی به عنوان سازه هایی گران و حیاتی در مجامع مهندسی مطرح است. اقتصادی تر شدن یک طرح هیدرولیکی می تواند به ذخیره هرچه بیشتر منابع مالی در زمان بهره برداری بیانجامد. البته بررسی شرایط عدم ریسک نیز به منظور جلوگیری از خطرات احتمالی می بایست در دستور کار طراحان قرار گیرد. از یک طرف با بهینه کردن سیستم تخلیه سیلاب یک سد می توان ریسک پذیری پروژه را کاهش داد و از یک طرف به اقتصادی تر شدن پروژه کمک کرد. در این پژوهش شبیه سازی عددی میدان جریان در روی تنداب و حوضچه سد البرز با ابعاد آزمایشگاهی با بکارگیری نرم افزارAnsys CFX می باشد که به منظور بررسی لایه مرزی پرش هیدرولیکی ناشی از عملکرد مستهلک کننده ها در حوضچه آرامش تنداب واگرا سد البرز توسط مورد ارزیابی و تحلیل قرار میگیرد.
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 تنداب و حوضچه آرامش آن قرار گرفته است. بررسی عملکرد طرح سازه تنداب و حوضچه آرامش 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 معادلات حاکم
در این تحقیق، با بررسی امکانات و تواناییها و محدودیتهای نرمافزارهای در دسترس از نرمافزارهای Ansys [5] CFX ، برای شبیهسازی میدان جریان استفاده شده است. روش حجم سیال - - VOF توسط هیرت و نیکولز - 1981 - ارایه شده است. این روش برای شبیهسازی مرز مشترک دو یا چند سیال مخلوط نشدنی در یک شبکه اویلری طراحی شده است. در این مقاله از این روش برای محاسبه سطح مشترک بین آب و هوا استفاده میشود. در این روش، ابتدا معادلههای حاکم بر جریان تراکم ناپذیر در محیط آب حل شده و سپس با حل معادله انتقال جزء حجم آب، در هر سلول محاسباتی جزء حجم هر سیال - آب و هوا - در کل میدان محاسباتی محاسبه میشود. قوانین حاکم بر جریان عبارتند از قانون پایستاری جرم و قانون بقای اندازه حرکت >7@و>8@،که در شرایط جریان آشفته[3] ، بهصورت متوسطگیری شده در زمان، معادلههای ناویر استوکس متوسطگیری شده رینولدز به شکل زیر از آنها استخراج میگردد:
تنشهای رینولدزی - که بهعلت متوسطگیری از روابط لحظهای ناویر استوکس ظاهر شده است - شناخته میشوند. روابط فوق دارای سه مجهول شامل مولفههای سرعت در دو جهت و فشار میباشند. از سوی دیگر، رابطه اندازه حرکت شامل چهارمولفه مجهولِ تنش رینولدز است، بنابراین سیستم روابط فوق بسته نیست - تعداد معلومات از تعداد مجهولات کمتر است - و باید با کاربرد مدلهای نیمه تجربی آشفتگی مناسب، تنش رینولدز محاسبه شود که در ادامه شرح داده خواهد شد.
در روش حجم سیال از یک تابع متغیر به نام استفاده میشود که جزء حجم آب در سلول محاسباتی است. اگر1 باشد، بیانگر پر بودن سلول محاسباتی از آب میباشد و چنانچه 0 باشد یعنی سلول پر از هوا است.برای 0< < 1 درصدی از سلول، آب و درصدی از آن هوا است. بنابراین با در نظر گرفتن سطح آزاد>6@و>8@، در یک جزء حجمی معین، میتوان سطح آزاد جریان را مشخص کرد. جریان عبوری از تنداب بسیار متلاطم بوده و انتقال اندازه حرکت - مومنتوم - سیال با نرخ قابل توجهی، روی میدهد. بطور کلی، مدلهای آشفتگی جریان راه حل تجربی برای تخمین و مدلسازی پارامتر تنشرینولدزی در رابطه - - 2 محسوب میگردند که در اثر متوسطگیری از معادلات ناویر- استوکس نسبت به پارامتر زمان ایجاد میشوند.
