بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت، الگوی جریان سه بعدی در حالت آشفته برای تقاطع کانای مستطیلی روباز ، با استفاده از مدل آشفتگی دو معادله ایی شبیه سازی شده و روش VOF برای بررسی روند تغییرات سطح آب بکار گرفته شده است و هدف از تحقیق حاضر بررسی الگوی جریان سه بعدی در تقاطع کانال های روباز می باشد و تعیین پارامتر های جریان از قبیل توزیع بردار سرعت، پروفیل سطح آب ، ناحیه جدایی جریان با استفاده از مدل آشفتگی - − - می باشد.
برای صحت سنجی، نتایج حاصل از مدل عددی با مدل آزمایشگاهی دانشگاه ولونگونگ استرالیا - 2009 - مقایسه گردید . نتایج حاصل از مدلسازی توانست تطبیق خوبی با مدل آزمایشگاهی داشته و توانست ناحیه جدایی جریان را بخوبی شبیه سازی کند. بررسی ها نشان می دهد که از ترکیب دو جریان بالادست و جریان کانال جانبی، جریان چرخشی به وجود می آید که ناحیه چرخشی جریان در کانال اصلی را نیز تحت تأثیر قرار می دهد .این جریان ثانویه که در پایین دست کانال اصلی به وجود می آیدکاملاً تحت تأثیر نسبت دبی جریان در بالادست کانال اصلی به کل جریان می باشد و ابعاد ناحیه چرخشی جریان با افزایش نرخ دبی کاهش می یابد.
.1مقدمه
الگوی جریان در تقاطع کانالها و رودخانههای طبیعی از مباحث پیچیده و مهم در مهندسی رودخانه است. برخورد دو جریان با یکدیگر پدیدهای است که هم در طبیعت - رودخانه ها - و هم در مصنوعات بشری - کانال های آبیاری و زهکش ها فاضلاب دیده میشود. بر خلاف وجود این نوع از جریانها در بسیاری از پدیدههای هیدرولیکی، توجه کم تری به آن شده است. با وجود این که الگوی جریان درکانال های متقاطع تا حدودی شبیه جریان در کانال های با جریان انحرافی می باشد، اما بررسیهای محدودی در زمینه برخورد دو جریان در کانال های روباز انجام گرفته است . پارامترهای زیادی در الگوی جریان در کانالهای متقاطع مؤثر هستند و این عوامل باعث پیچیده شدن بررسی تئوری جریان در کانالهای متقاطع شده است .
از جمله این پارامترها می توان به پارامترهای هندسی - شکل کانال، ابعاد کانال و زاویه بین دو کانال اصلی و فرعی - و پارامترهای هیدرولیکی - عدد فرود جریان، نسبت دبی در کانال اصلی و کانال فرعی - اشاره کرد. جریان ورودی از کانال فرعی به کانال اصلی باعث ایجاد ناحیه تنگ شدگی جریان در کانال اصلی می گردد - شکل - 1 با ایجاد این ناحیه که به دلیل چرخش جریان در این ناحیه رخ می دهد ناحیه جدایی جریان1 در ساحل سمت چپ به وجود میآید. مشابه چنین حالتی در جریان انحرافی در داخل کانالهای آب گیری رخ میدهد. همچنین به دلیل برخورد جریان با دیواره، نقطه سکون2 در بالادست کانال فرعی نیز به وجود میآید که مشابه چنین حالتی در پایین دست کانالهای فرعی در آب گیرها اتفاق میافتد.
وضعیت کلی جریان در کاناهای متقاطع
در محل برخورد دو جریان از کانال اصلی و کانال فرعی، جریانهای پیچیدهای به وجود میآید که بررسی الگوی جریان میتواند به شناسایی نحوه تغییرات بستر در جریان های آبرفتی کمک کند .در محل برخورد دو جریان از شاخه اصلی و شاخه فرعی، ناحیه انقباضی جریان ایجاد میشود که سرعت جریان و تنش های برشی بستر در این ناحیه افزایش می یابد. به موازات ناحیه انقباضی جریان ناحیه کم سرعتی در کانال اصلی ایجاد میگردد که ناحیه جدایی جریان گفته میشود.
در ناحیه جدایی جریان، جریانهای چرخشی وجود دارد که در آن سرعتهای عرضی جریان سرعت غالب جریان بوده و جهت سرعت طولی معکوس میگردد. ابعاد ناحیه جدایی جریان به پارامترهایی مانند نسبت دبی شاخه فرعی به شاخه اصلی و همچنین عدد فرود در کانال پایین دست بستگی دارد. در ناحیه جدایی جریان امکان نشست رسوبات وجود داشته که مشکلات زیادی را به همراه دارد. بنابراین مطالعه رفتار دقیق جریانهای متقاطع از اهمیت بالایی برخوردار است.
تیلور3 در سال [1] 1944مشخصات جریان را در تقاطع دو کانال افقی با مقطع مستطیلی مطالعه نمود. او برای تحلیل از معادله ی ممنتوم استفاده نمود و پیش بینی های خود را با داده های تجربی برای زوایای تقاطع 45 و 135 درجه صحت سنجی نمود. با این وجود پیش بینی های تئوریک او تنها برای زوایای تقاطع کوچک تر قابل استفاده بود. سازگاری قابل قبولی برای زوایای بزرگ تقاطع مانند 135 درجه وجود نداشت. گورام4 و همکاران در سال [2] 1977 معادله تجربی را برای ارتباط بین عرض ناحیه جدایی جریان ارایه دادند.
بست5 و رید 6 در سال [3] 1984مطالعات خود را بر روی تقاطع کانال باز با تمرکز بر موضوع ناحیه جدایی جریان شروع کردند. آنان آزمایشات خود را بر روی کانالهایی با زاویه تقاطع 15، 45 ، 70 و 90 درجه ،جریان زیر بحرانی و عدد فرود بین 0/3 تا 1 انجام دادند. آنان دریافتند که با کاهش نرخ دبی، ماکزیمم عرض و طول ناحیه جدایی جریان افزایش می یابد. همچنین دریافتند این تاثیر کاهش نرخ دبی بر عرض و طول ناحیه جدایی جریان با کاهش زاویه تقاطع کانال ها کاهش می یابد.
رامامورتی7 و همکاران در سال [4] 1988معادله ریاضی را بر پایه قانون بقای ماده و حرکت برای ارتباط بین نسبت عمق جریان و نرخ دبی در کانالهای متقاطع با زاویه 90 درجه ارائه دادند. وبر1 و همکاران در سال [5] 2001به مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان در کانال های متقاطع 90 درجه پرداختند. داده های اندازه گیری شده توسط وبر و همکاران به صورت سرعت های سه بعدی به همراه نوسانات سرعت و عمق جریان بوده است. این داده های اندازه گیری شده سرعت، ابزار مناسبی برای اعتبارسنجی مدل های عددی فراهم کرده است.
هووآنگ2 و همکاران در سال [6]2002 مدل عددی سه بعدی را برای یک تقاطع کانال باز تهیه نمودند هدف آنها صحت-سنجی یک مدل عددی سه بعدی با دادههای با کیفیت بالای تجربی و مقایسهی شبیهسازیهای بیشتر با محاسبات پروفیل یک بعدی سطح جریان بود. دیزنیاک 3 در سال [7] 2009در دانشگاه ولونگونگ استرالیا مطالعات خود را بر روی مدل آزمایشگاهی کانالهای متقاطع با زاویه 90 درجه انجام داد. وی الگوی جریان و رسوب را برای دبیهای متفاوت مورد بررسی قرار داد. نتایج بدست آمده از مدل آزمایشگاهی وی با داده های آزمایشگاهی وبر و همکاران مورد تایید قرار گرفت.
علامتیان4 و جعفرزاده 5 در سال [8] 2010جریان سیلابی فوق بحرانی را در تقاطع دو کانال به صورت عددی مورد بررسی قراردادند. ایشان با استفاده از معادلات ناماندگار آبهای کم عمق و روش عددی حجم محدود Roe-TVD برای شبکه بی سازمان مثلثی توانستند نتایج خوبی را در مقایسه با مدل آزمایشگاهی به دست آوردند. رایلی6 و ردز7 در سال [9] 2011با مطالعه جریان متقاطع در کانالهای قوسی نشان دادند که جریان در کانال اصلی با ترکیب جریان فرعی شتاب میگیرد و حداکثر شتاب جریان هنگامی رخ میدهد که کانال فرعی در رأس قوس خارجی باشد.
موسوی جهرمی8 و گودرزی زاده9 در سال [10] 2012 با استفاده از داده های آزمایشگاهی شوماته - 1998 - و با کمک مدل آشفتگی RSM به بررسی الگوی جریان سه بعدی در تلاقی کانال های باز پرداختند. نتایج نشان داد که مدل مزبور الگوی کلی جریان در محل تلاقی کانال ها را در حد مناسبی شبیه سازی کرده و متوسط خطای پیش بینی سرعت در طول کانال اصلی بین 3/5 تا 10 درصد می باشد. فرزین10 و علامتیان در سال [11] 2013جریان را در تقاطع -T شکل کانالهای باز به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. ایشان از معادلات آبهای کم عمق و روش آپویند مرتبه دوم استفاده کردند و نتایج به دست آمده را با مدل آزمایشگاهی مورد صحت سنجی قرار دادند.
.2معادلات حاکم
معادلات مورد استفاده عبارتند از معادلات پیوستگی و ناویر استوکس که به صورت معادلات متوسط گیری شده رینولدز در حالت آشفته بیان می شوند در جریان های دوفازی، برای هر فاز یک معادله پیوستگی حل شده و در مقابل، معادله مومنتوم برای هر دو فاز مشترک می باشد.
