بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق چگونگی انتقال عرضی رسوبات ناشی از جریانات ثانویه متأثر از هندسه مقطع جریان بر روی مقاطع ذوزنقه ای با بستر متحرک مدل سازی شده است. با استفاده از روش دینامیک محاسباتی سیالات - CFD - و به کمک بسته رایانه ای ANSYS-CFX چگونگی توزیع تنش برشی پیرامون جداره و الگوی توزیع سرعت و همچنین الگوی تشکیل و توسعه جریانات ثانویه در این گونه مقاطع بررسی و مورد مطالعه قرار گرفته است.
همچنین تغییر زاویه دیواره های مقطع کانال در نحوه توزیع تنش برشی پیرامون جداره مرطوب و الگوی جریانات ثانویه به عنوان بخش دیگری از مطالعات، مورد تحقیق قرار گرفته است. مقایسه نتایج حاصل از تحلیل رایانه ای با مشاهدات تجربی محققان حاکی از تطبیق بسیار نزدیک نتایج استخراج شده از تحلیل رایانه ای و داده ها و نتایج آزمایشگاهی برای تنش های برشی متوسط بستر و دیواره ها با حداکثر خطایی در حدود %7/8 دارد. نتایج بدست آمده آشکار می کند که مقادیر تنش بر روی جداره برآمدگی ها بیشتر از مقادیر تنش بر روی جداره شیارها بوده و مقادیر تنش جداره در دیواره ها با کاهش شیب دیواره ها، افزایش می یابد.
.1 مقدمه
با توجه به اهمیت کانال ها در بحث انتقال آب، بررسی شرایط جریان در آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. جریان عبوری از کانال ها دارای سه مؤلفه، یک مؤلفه در راستای جریان و دو مؤلفه در جهت عرضی کانال است. نوسانات سرعت نسبت به سرعت عمق میانگین سبب ایجاد آشفتگی در جریان می شود. ناهمگنی آشفتگی به علت شرایط مرزی بستر، دیواره جانبی و سطح آزاد، نسبت ابعادی کانال و هندسه مقطع جریان به وجود می آید؛
وانگ و چانگ - 2005 - و جاوید و محمدی . - 1390 - در اثر ناهمگنی این نوسانات، یک سری گردابه های چرخشی در مقطع کانال ایجاد شده که سلول های جریان ثانویه نامیده می شوند. این سلول ها سبب ایجاد تنش برشی عرضی در جداره های کانال شده و در نتیجه مباحث فرسایش و آبشستگی جداره های کانال را مطرح می کنند.
محققان بسیاری با مطالعه بر روی مشخصات جریانات ثانویه در کانال ها به صورت آزمایشگاهی، همچون گوش و روی - 1970 - ، تامیناگا و همکاران - 1989 - ، یوئن - 1989 - ، الحمید - 1991 - ، محمدی - 1998 - و به صورت تحلیلی همچون نایت و همکاران - 2007 - و جاوید - 1390 - ، محمدی و جاوید - 1390 - ؛ سعی در تعیین اثرات وجودی این جریانات بر پارامترهای هیدرولیکی جریان همچون توزیع تنش برشی پیرامون جداره مرطوب در کانال ها نموده اند.
پی بردن به نحوه توزیع تنش برشی جداره در مقطع کانال و تفکیک سهم نیروی برشی وارده بر کف و دیواره های کانال در طراحی ها برای جلوگیری از رسوب گذاری و بروز پدیده فرسایش و انتقال آلودگی و همچنین کاربرد روز افزون مقاطع ذوزنقه ای شکل در شبکه های انتقال آب، و شبکه های جمع آوری آب های سطحی و سایر کانال ها، اهمیت پیدا می کند.
موضوع نحوه توزیع تنش برشی پیرامون مقاطع ذوزنقه ای شکل موضوعی است که توسط بسیاری از محققان از جمله جاوید و محمدی - 1391 - ، جاوید و محمدی - 2012 - و همچنین جاوید و همکاران - 1391 - مورد مطالعه قرار گرفته و روابطی جدید با خطای ناچیز در همین زمینه ارائه نمودند.
پرانتل - 1952 - جریانات ثانویه را به دو گروه تقسیم نمود: گروه اول معمولا در کانال هایی با راستای منحنی شکل تشکیل یافته و همواره به دلیل نیروی گریز از مرکز و گرادیان عرضی فشار، حرکتی دایره وار در مقطع عرضی دارد. گروه دوم از جریانات ثانویه به دلیل غیر یکنواختی و آشفتگی جریان در کانال ها ناشی از عدم تقارن در مقطع و تأثیر وجودی سطح آزاد سیال و غیر یکنواختی زبری جداره تشکیل می شوند
نیزو و ناکایاما - 2005 - با ارائه توضیحی درباره موقعیت تشکیل برآمدگی های ناشی از انتقال عرضی رسوبات اظهار داشتند فاصله این خطوط برآمده در راستای جریان از یکدیگر دو برابر عمق جریان می باشد. نیزو و ناکاگاوا - 1984 - ، تامیناگا و همکاران - 1989 - نیز مطالعات آزمایشگاهی زیادی بر روی ساختار سلول های جریانات ثانویه برای تعیین روابط حاکم ما بین جریانات ثانویه و اشکال مختلف بستر انجام دادند.
الحمید - 1991 - ، نیزو و همکاران - 1988 - ، نیزو و ناکایاما - 1998 - و محمدی - 1998 - با استفاده از سرعت سنج لیزر داپلر - - LDA=Laser Doppler Anemometer و مطالعه جریان بر روی کانال های ذوزنقه ای با بستر متحرک ماسه ای - غیر چسبنده - اندرکنش موجود ما بین انتقال عرضی رسوبات در مقطع جریان و ساختار جریانات ثانویه را تشریح نمودند.
نیزو و ناکاگاوا 1984 - ، - 1993 سیر تغییرات شکل بستر را ناشی از وجود گردابه های متشکل و متأثر از وجود دیواره های کانال در نقاط کنج مقطع دانسته و این گردابه ها را دلیل اصلی غیریکنواختی توزیع تنش برشی و به طبع آن افزایش پدیده فرسایش در نقاط کنج مقطع داشته اند. این تغییرات موجب افزایش غیریکنواختی در توزیع تنش برشی در راستای عرضی مقطع کانال شده و گردابه های کوچکتری را ایجاد می کند؛ به طوری که این روند در تمام مقطع عرضی کانال گسترش یافته و متناوباً موجب تشکیل تل ماسه هایی با توزیع یکنواخت در عرض و در راستای طولی کانال شده که این امر سطحیموّاج را به سطح صاف بستر تغییر می دهد.
کولومبی - 1993 - دلیل اصلی تشکیل سلول های جریانات ثانویه را بی ثباتی رژیم جریان و وجود اختلالات هر چند کوچک در یکنواختی جریان، متأثر از هندسه و زبری سطح بستر و دیواره ها و یا خود جریان داشته و این امر را موجب انتقال رسوبات در جهت عرضی کانال متذکر شد.
نیزو و رودی - 1985 - به عدم سهولت در تعیین الگوهای جریانات ثانویه در بازه زمانی معینی در کانال های عریض با نسبت عرض به عمق جریان بیشتر از 5، - b/h>5 - اشاره داشته و همچنین به بررسی الگوهای جریانات ثانویه آنی پرداخته و تأثیر رفتار این جریانات آنی را عامل اصلی تغییر شکل بستر در کانال هایی با جداره بستر صاف یا زبر و موجب تشکیل تل ماسه های موضعی و گسترش آن ها در طول مقطع جریان که متناوباً در مقطع عرضی گسترده اند، دانسته و این تغییر شکل بستر را عاملی در جهت تثبیت الگوهای جریانات ثانویه در فواصل معین معرفی کرده اند.
در این تحقیق به مطالعه و تعیین نقش الگوهای جریانات ثانویه در کانال های ذوزنقه ای شکل بر تغییر شکل های عرضی بستر پرداخته می شود. برای تشریح چگونگی تشکیل برآمدگی های ماسه ای در راستای طولی بر روی بستر و تشکیل شیار های حاصل از رسوب برداری عرضی، از مدل سازی رایانه ای یک کانال ذوزنقه ای با جداره ثابت بهره برده شده است.
.2 مدل سازی عددی
از آن جایی که بررسی آزمایشگاهی شرایط جریان در کانال ها هزینه های زمانی و مالی زیادی در بر داشته و نیازمند دسترسی به آزمایشگاه های مجهز است و همچنین گذرا بودن بسیاری از مسائل مهندسی، نیاز به بهره گیری از دینامیک سیالات محاسباتی و ابزارهای کمکی نظیر نزم افزار های محاسباتی وجود خواهد داشت.
از این رو در تحقیق حاضر با بهره گیری از بسته رایانه ای ANSYS-CFX و روش المان های محدود حجمی، سعی در مدل سازی جریان در کانال روباز ذوزنقه ای با بستر متحرک شده و اثر تغییرات بستر ناشی از انتقال عرضی رسوبات روی الگوی سلول های جریان ثانویه و پارامترهای جریان نظیر توزیع تنش برشی بررسی شده است. همچنین بسته رایانه ای ICEM CFD جهت شبکه بندی مدل مورد مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است.
.3 هندسه مدل مورد مطالعه
لازمه مدل سازی عددی هر پدیده ای ایجاد دامنه محاسباتی، تقسیم بندی آن به زیر نواحی برای حل معادلات و انتخاب شرایط مرزی مناسب است
برای مطالعه بر روی چگونگی انتقال رسوبات ماسه ای در عرض مقطع کانال که در طول مقطع جریان گسترش می یابند، کانال ذوزنقه ای با عرض بستر 500 میلی متر و زوایای مختلف دیواره های 0، 10، 20، 30، 40 و 50 درجه به همراه شیارهای طولی با جداره ثابت و عرض 62/5 میلی متر بر روی بستر و ارتفاع 10 میلی متر فرض شده است - شکل . - 1 فاصله اولین شیار از دیواره ها برابر 31/25 میلی متر و فاصله سایر شیارها از یکدیگر برابر 62/5بوده که این فاصله تقریباً برابر عمق جریان در نظر گرفته شده است.
شکل - 1 مقطع مدل مورد تحلیل و تغییر شکل های بستر
.4 روابط حاکم بر جریان
بسته رایانه ای بهره برداری شده توانایی آنالیز مدل طراحی شده را به روش های مختلفی دارا بوده که در تحقیق حاضر از روش RNDS و یا همان متوسط تنش های رینولدز در معادلات ناویه- استوکس استفاده شده است. معادله پیوستگی برای جریان در یک المان فرضی را طبق روش RNDS می توان به شکل رابطه - 1 - بیان می شود:
که در آن ، چگالی جرمی سیال و Ui برابر سرعت متوسط در راستای جریان بوده و معادله بقای اندازه حرکت به صورت رابطه - 2 - می باشد:
که در آن P، فشار متوسط،u 'i ، بیانگر نوسانات تصادفی سرعت، لزجت دینامیکی سیال و u'iu'j بیانگر اثرات تنش های متوسط رینولدز می باشند. تنش های برشی رینولدز خود شامل 6 مجهول اضافی بوده که می بایستی برای تحلیل رابطه های - 1 - و - 2 - تعیین شوند. با توجه به شرایط هندسی جریان در کانال های منشوری مستقیم، روابط حاکم بر تنش های رینولدز و روابط انرژی حاکم در جریان های متلاطم را می توان به صورت ساده تری بیان داشت.
در این خصوص مدل های تحلیلی بسیاری برای تعیین این اثرات در جریان های متلاطم توسط بسیاری از محققان ارائه شده است که از جمله آن ها می توان به نتایج مطالعات لاندر و همکاران - 1975 - ، یا LRR، رودی - 1988 - و اسپزیال و همکاران - 1991 - یا SSG اشاره نمود. با توجه به دقت روش SSG و نتایج مطالعات کاکیوری و همکاران - 2008 - در همین زمینه، روش SSG برای تحلیل و تعیین تنش های رینولدز انتخاب می شود. مدل SSG با توجه به بهره گیری از روابط درجه دوم برای بیان اثرات توزیع فشار و در بر گرفتن اثرات دیواره های مقطع بدون وارد نمودن متغیرهای اضافی، مزیت بسیاری نسبت به روش LRR دارد.
.5 سیستم محورهای مختصات و شرایط مرزی
در تحلیل مدل هندسی مفروض، سیستم محورهای مختصات دکارتی که در آن راستای جریان در جهت محور x، راستای مقطع عرضی در جهت محور y و عمق جریان در راستای محور z در نظر گرفته شده و مبدأ مختصات در همه حالات منطبق بر کنج سمت چپ مقطع عرضی می باشد. جداره مقطع کانال به صورت ثابت و صاف و رژیم جریان، جریانی دائمی با فرض سیال آب معرفی شده است. مقدار اندازه حرکت در تحلیل مدل برابر ρgS معرفی شده که در آن ، چگالی جرمی آب بوده و برابر 997 کیلوگرم بر متر مکعب، g شتاب جاذبه و برابر 9/81 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده و S شیب طولی کانال است.
.6 نتایج تحلیل
6.1. الگوی توزیع سرعت
با استفاده از تحلیل صورت گرفته، الگوی توزیع سرعت در مقطع کانال با فرض وجود تشکیل چهار برآمدگی ماسه ای - تل ماسه - ناشی از انتقال عرضی رسوبات متأثر از گسترش جریانات ثانویه در شکل - 2 - آمده است. همان طور که از شکل - 2 - ملاحظه می شود، دراین مقطع نواحی با سرعت کم جریان در ناحیه بالای برآمدگی ها و نزدیک به جداره و نواحی با سرعت بالای جریان در بالای شیارهای ایجاد شده ناشی از انتقال عرضی رسوبات تشکیل شده اند.
