بخشی از مقاله
چکیده
از انواع سازه های مستهلک کننده انرژی نوع پرتاب کننده جامی شکل آن کاربرد فراوانی دارد. زمانی که شرایط زمین شناسی پایاب سد مناسب باشد استفاده از این سازه از نظراقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر اجرا و نگهداری آسان می باشد بخصوص در سدهای بلند که انرژی جریان در پای سرریز بسیارزیاد می باشد. طراحی مناسب شعاع مستهلک کننده جامی شکل از اهمیت خاصی برخوردار است به طوری که بزرگ بودن شعاع جام باعث عملکرد نامناسب سازه در پرتاب جریان و کوچک بودن آن باعث ارتعاش سازه و حتی شکست سازه خواهد شد.
در تحقیق حاضر با ثابت فرض کردن سایر پارامترها به بررسی اثر زاویه انتهایی و شعاع قوس پرتاب کننده جامی و دبی جریان خروجی از جام بر طول پرتابه و مشخصات هندسی جت خروجی پرداخته شده است. برای نیل به این هدف با بکارگیری قابلیتهای پیشرفته نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی انسیس سی اف ایکس و با استفاده از روش باکینگهام پارامترهای مؤثر به صورت بی بعد استخراج شده و همچنین بررسی اثرشعاع انحناء و زاویه لبهای پرتاب کننده جامی بر طول پرتابه جریان مورد ارزیابی قرارگرفت.
تحلیل نتایج حاکی از این است که با افزایش دبی در هریک از زوایا و همچنین با کاهش زاویه هریک از دبیها طول پرتاب بیشتر میشود. با افزایش عدد فرود در تمام دبیها و زوایا طول پرتاب پرش بیشتر میشود و در تمام دبیها، هر چه مقدار زاویه انتهای باکت بیشتر شود طول پرش به دلیل کاهش سرعت جت کوتاهتر میگردد. افزایش شعاع جام در دبی حداقل باعث عملکرد نا مناسب و مستغرق شدن جام گردیده است. همچنین با افزایش دبیتغییرات افزایش سرعت جریان نسبت به عمق کمتراست و لذا عدد فرود جریان کاهش یافته است.
مقدمه
سرریز یکی از بخشهای بسیار مهم سد به شمار می رود که در مواقع وقوع سیلاب نقش بسیار اساسی را در جهت حفظ و پایداری سازه برعهده خواهد داشت. برای عبور آبهای اضافی و سیلابهایی که از بالادست به سمت پایاب سدها در حرکت هستند از این سازه ها استفاده می شود. ازآنجا که جریان خروجی از سرریز به خصوص در سدهای بلند انرژی بسیار بالایی دارد، در انتهای آنها از سازه های مستهلک کننده انرژی استفاده می شود. سازه های استهلاک انرژی معمولاً در انتهای سازه های آبی به منظور کاهش فرسایش، جلوگیری از آبشستگی پایین دست سازه و یا به حداقل رساندن آن مورد استفاده قرارمی گیرند.
مکانیزم اثر اکثر این سازه ها بر پایه اتلاف انرژی با تغییر رژیم جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی صورت می گیرد. امروزه در اکثر سدهای بلند از سرریزهای جامی شکل استفاده می شود. روش های عددی و تحلیلی و روابط تجربی موجود برای برآورد شاخصهای طراحی هیدرولیکی این سازه،به خصوص در طرح های پیچیده و غیر متعارف محدودیت زیادی دارند که به کمک مدل های فیزیکی می توان شرایط هندسی پیچیده را به همراه شرایط ورودی بالادست به صورت سه بعدی و با دقت قابل قبولی شبیه سازی کرد.
لذا در این مطالعه شبیه سازی سه بعدی میدان جریان در روی جامی شکل سد مخزنی آزاد - [7]مؤسسه تحقیقات آب، - 10:1374ابعاد واقعی مدل آزمایشگاهی،با استفاده از نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی بوده است.
مطالعاتی در زمینههای مختلف بر روی پرتابکننده جامی شکل انجام شده است از جمله وطندوست و همکاران [8]در سال 1385، ضرایب نوسانات فشار را روی پرتابکننده جامی شکل مدل سرریز سد سهند در سه منطقه میانی،چپ و راست پرتاب کننده جامی شکل در سه دبی متفاوت مورد بررسی قرار دادند. اکبری و همکاران[2]در سال 1390، جریان بر روی پرتاب کننده جامی شکل را به روش حجم محدود مدل سازی کرده اند.
امین الرعایایی یمینی و کاویان پور اصفهانی [3]در سال 1390، به بررسی عددی و آزمایشگاهی میدان جریان در پرتاب کننده های جامی شکل مرکب بر روی دو سرریز مدل هیدرولیکی سد گتوندعلیا پرداخته اند. بابازاده و همکاران[4]در سال 1391 ، به بررسی عددی الگوی جریان بر روی سرریز و پرتابکننده جامی شکل سد گاوشان با استفاده از مدل Flow-3D و مدل آشفتگی RNG پرداختند. زمانی و همکاران [5]در سال 1395،تحلیل عددی بهبود عملکرد هیدرولیکی فلیپ باکت در مجاورت جریان سطح آزاد توربولانسی را مورد مطالعه قرار دادند.
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 - [6]صنیعی نژاد، - 41:1383 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
معادله پیوستگی جرم که بهطور کلی بهصورت زیر است که نسبت کسر حجمی فضای باز به جریان، جرم مخصوص سیال، ترم نفوذپذیری آشفتگی وبرابر منبع جرم است. u، v و W اجزای سرعت و برابر مساحت کسری محیط به جریان به ترتیب در جهتهای x، Y و z هستند. معادله مومنتم به شرح زیر است. در معادلات زیر P فشار، نیروی گرانش در راستای i و تنش رینولدز است
مدل جریان اختلاطی دو فازی
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 سطح آزادبوده است که برای شبیه سازی سیالات - آب و هوا - توسط یک سطح مشترک تفکیک پذیر واضح و مشخص که از یکدیگر جدا شده اند، بهترین عملکرد را دارد که در آن:ثابتی وابسته به عدد اشمیث است
مدل توربولانس - - RNG k-
مدل آشفتگی - - k- که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است - [1]ابریشمی، - 92:1387، 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 - که ضرایب آن : C2e برابر 1/44 و C3e برابر 0 /22 می باشد
RMDTKE ضریب پخش استهلاک آشفتگی است که برای مدل توربولانس - - k- استاندارد برابر با مقدار0/77 بوده، ولی در مدل RNG این مقدار برابر با 1/39 میباشد
دراین تحقیق بررسی الگوی سه بعدی جریان بر روی سرریز سه جانبه ای با استفاده از مدل توربولانسk- RNG به عنوان مناسبترین گزینه بین مدلهای آشفتگی نشان داد که این مدل در تعیین فشار و در نتیجه پروفیل سطح آب در طول کانال جانبی از دقت مناسبی برخوردار بوده است.
شبیه سازی عددی
در این تحقیق بررسی اثرشعاع انحناء و زاویه لبهای فلیپ باکت بر پارامترهای هیدرولیکی جریان مورد ارزیابی قرارگرفت. پس از اطمینان از صحت عملکرد مدل عددی، شبیهسازی به ازاء چهار دبی مختلف صورت گرفته و اثرات دبی بر میدان جریان نیز مطالعه شده است. به ازاء این دبی ها، مشخصه های هیدرولیکی جریان نظیر، فشار، غلظت آب وهوا و سرعت که نشان دهنده استهلاک انرژی است در مقاطع مختلف بررسی گردید.
تنظیم نوع حوزه حل و روش آنالیز سیال وشرایط مرزی
در این تحقیق با توجه به ماهیت مدلسازی عددی باید به صورت جریان غیرماندگارشبیهسازی شود. در این رویکرد به منظور اطمینان از صحت مدلسازی نتایج مدل عددی با داده های آزمایشگاهی کالیبره گردیده است.
