بخشی از مقاله
خلاصه
در دهههاي اخیر استفاده از سرریزهاي پلکانی بهمنظور عبور سیلاب طغیان سیل در سدها متداول شده است. هواگیري در سرریزهاي پلکانی بر روي پتانسیل کاویتاسیون، میزان استهلاك انرژي و عمق جریان تاثیرگذار است. تعیین محل شروع هواگیري جریان در مرحله طراحی اولیه سرریزهاي پلکانی و قبل از ساخت مدل فیزیکی، باعث میشود طراحی دقیقتر شده، درنتیجه در هزینه و زمان صرفهجویی گردد. در این تحقیق با استفاده از مدل عددي به تعیین نقطه شروع هواگیري در یک سرریز پلکانی با شیب ملایم پرداخته شده است. مقایسه نتایج مدل عددي و فیزیکی نشان داد که مدل عددي با دقت بسیار بالایی قادر به تعیین نقطه شروع هواگیري میباشد.
.1 مقدمه
امروزه استفاده از سرریزهاي پلکانی بهمنظور استهلاك بخشی از انرژي سیلاب در سدها متداول شده است. بهدلیل پیچیده بودن هیدرولیک جریان و فقدان اطلاعات کافی در زمینه هواگیري1 و میزان استهلاك انرژي در سرریزهاي پلکانی، طراحی این سرریزها با عدم اطمینان و قطعیت روبرو بوده و به آزمایشهاي مدل هیدرولیکی بهمنظور تدقیق در طراحی نیاز است 1]و.[2 هواگیري جریان برروي طراحی ارتفاع دیوارهاي جانبی2 و پتانسیل کاویتاسیون تاثیرگذار بوده و میزان استهلاك انرژي، پارامتر اصلی براي طراحی سازه مستهلککننده انرژي در پایاب میباشد .[3]
نقطه شروع هواگیري3، محلی است که لایه مرزي به سطح آزاد رسیده، نیروي حمل آشفتگی بر کشش سطحی غلبه کرده و هوادهی طبیعی صورت میگیرد. فاصله این نقطه از لبه خارجی سرریز لبهپهن با LI نشان داده میشود - شکل. - 1 جریان در بالادست این نقطه، صاف و شیشهاي بوده و نیاز به تدقیق ارتفاع دیوار جانبی در این ناحیه نمیباشد 3] و.[4 عمده تحقیقات صورت گرفته و روابط تجربی ارائه شده بر روي میزان استهلاك انرژي، در پاییندست نقطه شروع هواگیري و براي سرریزهاي پلکانی با شیب تند - θ>22˚ - اختصاص دارد .[5]
سرریزهاي RCC احداث شده در تکیهگاه سدهاي خاکی کوچک، معمولا داراي طول نسبتا کوتاه بوده و هواگیري در طول سرریز ممکن است رخ ندهد. لذا در این حالت استفاده از روابط تجربی براي طراحی سرریزهاي پلکانی منجر به عملکرد نامناسب سرریز میگردد .[2] با وجود پیشرفت چشمگیر کامپیوترهاي امروزي و نرمافزارهاي CFD، خصوصیات جریان در سازههاي هیدرولیکی میتواند با دقت مناسبی محاسبه و تعیین گردد.
همچنین بهدلیل اثرات مقیاس1در اثر هواگیري در جریانهاي دوفازي، بهکارگیري نتایج مدل فیزیکی، عدم قطعیت را به دنبال خواهد داشت .[4] درنتیجه استفاده از نتایج مدل عددي قبل از ساخت مدل فیزیکی منجر به تدقیق در طراحی و صرفهجویی در هزینه و زمان خواهد شد. در تحقیق حاضر، با استفاده ازمدل عددي FLOW-3D نقطه شروع هواگیري در یک سرریز پلکانی با شیب ملایم، تعیین و نتایج آن بهمنظور صحتسنجی با مدل فیزیکی ساخته شده توسط Hunt و همکاران [5] مقایسه شده است.
.2 مدل فیزیکی
مدل استفاده شده در این تحقیق، شامل یک سرریز پلکانی با شیب 14 درجه و ارتفاع پله 76 - h - میلیمتر و یک سرریز لبهپهن با عرض 1/8 متر بوده که جزئیات آن در شکل - 2 - نشان داده شده است.
.3 مدل عددي
در تحقیق حاضر براي مدلسازي عددي جریان عبوري از سرریز پلکانی از نرمافزار FLOW-3D استفاده شده است. این نرمافزار توانایی حل عددي دو و سهبعدي معادلات RANS1 با روش VOF2 بههمراه تکنیک FAVOR3 توسط الگوریتم گسستهسازي حجم محدود/تفاضل محدود را دارا میباشد. در روش FAVOR براي تشخیص وجود مانع در هر سلول از اعدادي بین صفر و یک استفاده میشود. حجم فضاي خالی در هر سلولی که کل آن با مانع پر شده، برابر صفر و در سلولهاي خالی برابر یک است. سلولهایی که در بخشی از آنها مانع وجود دارد، متناسب با درصد حجمی پرشده با مانع، عددي بین صفر و یک به خود میگیرند .[6]
