بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از شبیهسازی عددی ابتدا الگوی آبشستگی اطراف آبشکنهای بسته و باز با درصدهای مختلف بازشدگی، مدلسازی شده و پس از مقایسه این نتایج با نتایج آزمایشگاهی، با توجه به قابل قبول بودن نتایج حاصل از شبیهسازی عددی برای پیشبینی الگوی آبشستگی، در ادامه به شبیهسازی عددی گردابههای ایجاد شده در همان آزمایشات پرداخته شده، سپس تغییرات قدرت جریان عرضی و قدرت گردابههای ناشی از جریان عرضی در مقاطع مختلف ارائه گردیده است.
مقدمه
موضوع تعیین الگوی جریان و آبشستگی در اطراف این آبشکنها از دیرباز تاکنون همواره مورد بررسی آزمایشگاهی،میدانی و شبیهسازی عددی محققین هیدرولیک بوده است. چنانکه در آزمایشی که توسط استیلجر1 و پاسیوک - 2010 - 2 به منظور دنبال کردن مسیر ذرات جرم در مجاورت میلههای استوانهای شکل آبشکنهای باز و پایههای پل صورت پذیرفت رابطهای برای تعیین موقعیت ذره در هر لحظه بهدست آمد. اورلو - 1951 - 3 برمبنای آزمایشاتی که با مصالح ماسهای به قطر =0.14mmانجام داده بود، رابطهای را برای محاسبهی عمق حداکثر آبشستگی موضعی در اطراف آبشکنهای باز ارائه نمود. براساس تحقیقات انجام شده توسط موخامدو4و همکاران - 1971 - رابطهای تجربی برای برآورد حداکثر آبشستگی در دماغه آبشکن باز بهدست آمد. سابرامانیا5 و همکاران - 1976 - مطالعهای روی آبشستگی اطراف آبشکنهای باز وآبشکنهای بسته انجام دادند.
آنها در یک کار آزمایشگاهی تاثیر درصد بازشدگی را روی مقدار عمق حداکثر آبشستگی اطراف آبشکنها در دو قطر متوسط مصالح مختلف بررسی نمودند. میلر6 و همکاران - 1983 - مطالعات وسیعی روی آبشکنهای بسته و باز انجام دادند. ریچاردسون - 1995 - 7 نیز بر اساس آزمایشات، رابطهای را جهت تخمین آبشستگی بهدست آورد. کیسلو - 1972 - 8 رابطهای را جهت بهدست آوردن سرعت متوسط جریان در پاییندست اولین آبشکن باز ارائه نمود. آلتونین - 1962 - 9 بر اساس آزمایشاتی که انجام داد فاصله تاثیر یک آبشکن منفرد بر روی جریان را در طول خط ساحلی بهصورت رابطهای ارائه نمود. در سالهای اخیر تلاشهای قابل توجهی برای شبیهسازی عددی جریان اطراف آبشکنها انجام شده و این مطالعات بهطور اخص بر روی الگوی جریان اطراف آبشکن متمرکز بوده است.
این مطالعات توسط محققانی مانندتینگ سان چِیل10 و - 1990 - Maheswaran با استفاده از معادلات دوبعدی متوسطگیری شده در عمق به بررسی منطقه چرخشی پشت آبشکن پرداختند ، Michiue و - 1992 - Hinokidani تغییرات بستر جریان اطراف آبشکن ها را در اثر گردابه های ایجاد شده توسط محاسبات دوبعدی مورد بررسی قرار دادند، Jia جیا و Wang وانگ - 1993 - به مدل سازی سه بعدی الگوی جریان ثانویه در اطراف آبشکن ها پرداختند ، Muneta و - 1994 - Shimizu شبیه سازی عددی جریان اطراف آبشکن ها را با در نظر گرفتن جریان های آشفته عرضی را انجام دادند، Mayerle و همکاران - - 1995 به مقایسه و انتخاب بهترین مدل آشفتگی برای شبیه سازی جریان های آشفتع پرداختند، اویلون و دارتوس - 1997 - به شبیه سازی عددی جریان های آشفته پرداختند، Kimura و - 1999 - Hosoda با استفاده از مدل دومعادله ای Ke ساختار جریان های گردابه ای سه بعدی را اطراف پایه های مربعی شکل در کانال های روباز مورد بررسی قرار دادند. در سالهای اخیر نیز میتوان به تحقیق اتِما و - 2004 - Muste اشاره کرد که به بررسی تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن، با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس، پرداخته شده است.
اگر چه الگوی جریان در اطراف آبشکن ها همواره مورد توجه محققین هیدرولیک بوده است اما به ارزیابی جریان های عرضی منتج از حضور این آبشکن در مسیر جریان کمتر پرداخته شده است. به همین دلیل در این تحقیق تغییرات جریان عرضی در بالادست و پایین دست آبشکن های باز و بسته مورد بررسی قرار گرفته و مشخص گردیده است که چه طولی از کانال در پایین دست آبشکن، تحت تاثیر استقرار آبشکن باز قرار میگیرد و ارتباط آن با میزان بازشدگی آبشکن چگونه می باشد.
.2مدلهای آزمایشگاهی و عددی
1-2 مدل آزمایشگاهی
بهمنظور مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج آزمایشگاهی، نتایج برداشت آزمایشگاهی در اطراف آبشکن بسته و باز با درصدهای باز شدگی 30، 50 و 70 نصب شده در یک فلوم مورد استفاده قرار گرفت. فلوم مزبور دارای 14 متر طول، 2 متر عرض و 0/5 متر ارتفاع بوده و شیب کف آن نزدیک به صفر میباشد. این فلوم از جنس مصالح بنایی ساخته شده است. دیواره جناح راست آن جهت مشاهده الگوی جریان و نحوهی شسته شدن مصالح بستر شیشهای میباشد. کف فلوم در محدودهای بهطول 8 متر و به فواصل 3/5 و 2/5 متر از بالادست و پایین دست آن تا عمق 54 سانتیمتر از مصالح مورد استفاده جهت آزمایش پر گردید. مصالح مورد استفاده جهت پر کردن بستر فلوم، قطری معادل 0/26 میلیمتر دارند. طول آبشکنها 50 سانتی متر بوده و زاویهی بین آبشکن و دیواره فلوم 90 درجه میباشد. جهت ساخت آبشکنهای باز از یکسری میلههای برنجی بهقطر 7 میلیمتر که در قطعات 70 سانتیمتری برش داده شده بودند، استفاده گردید و برای آبشکن بسته نیز از یک ورق چوبی به ضخامت 7 میلیمتر و ارتفاع 70 سانتیمتر استفاده شده است. لازم بهذکر است که دبی جریان ورودی 50 لیتر در ثانیه است. در شکل 1 شماتیکی از پلان و مقطع این فلوم نشان داده شده است.
2-2-2 معرفی نرم افزار Flow-3D
نرمافزار Flow-3D یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات میباشد و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این نرمافزار برای مدل کردن جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. این نرمافزار از المانهای سهبعدی متعامد استفاده میکند و در ایجاد مانع در برابر جریان قابلیتهای ویژهای دارد. در این نرمافزار از دو تکنیک عددی برای شبیهسازی هندسی استفاده شده است:
1. روش حجم سیال : - VOF - از این روش برای مدلسازی جریانهای با سطح آزاد استفاده میشود.
2. روش کسر مساحت- حجم مانع : - FAVOR - از این روش برای شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود.در این نرمافزار معادلات حاکم بر سیال با استفاده از تقریبات تفاضل - یا حجم - محدود حل میشود. همچنین محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیم شده که برای هر سلول مقادیر میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد. به جز سرعت که در مرکز وجوه سلول در نظر گرفته میشود، همه متغیرها در مرکز سلول قرار دارند.
3-2-2 مدلسازی در نرم افزار FLOW-3D
با توجه به ابعاد فلوم آزمایشگاهی و آبشکن، شبکهبندی مدل عددی با تعداد کل 300000 سلول وبرای عمقی معادل 0/3 متر و با همان ابعاد موجود در آزمایشگاه تهیه و در نرم افزار FLOW-3D تحت تمام مدلهای مختلف آشفتگی بهمنظور یافتن بهترین مدل آشفتگی برای پیشبینی میزان آبشستگی اطراف آبشکن باز، اجرا گردید. شایان ذکر است که مدلسازی در زمینه رسوب وتخمین آبشستگی یکی از مشکلترین اقدامات در علم مهندسی رودخانه میباشد و دراین پژوهش سعی شده تا حد امکان نرمافزار انتخابی یکی از قویترین نرمافزارها در زمینه هیدرولیک باشد تا بتواند تمام شرایط حاکم بر جریان را در حد ایدهآل در نظر بگیرد. در این مقاله از نرمافزار FLOW-3D - Version 10.0.1 - استفاده شده است. زمانی که به نرمافزار FLOW-3D بهعنوان Finish time داده میشود میتواند یک حدس اولیه بر اساس تجربیات آزمایشگاهی باشد و بیانگر زمانی است که پیشبینی میشود.
پدیدهی مورد نظر برای شبیهسازی در این زمان پایدار و یا کامل شود. در پژوهش حاضر از آنجا که هدف شبیهسازی جریان میباشد زمان را میبایست طوری انتخاب کنیم که شرایط پایدار ایجاد شده و پیغام Flow is nearly steady توسط برنامه ظاهر گردد. با توجه به توضیحات فوق زمان داده شده به نرمافزار 100 ثانیه انتخاب شد. از آنجاییکه در شرایط آزمایشگاهی موجود، دبی ورودی مقداری مشخص داشت، بنابراین برای مدلسازی بهتر و همچنین نزدیکتر کردن هرچه بیشتر مدلسازی به واقعیّت، از شرایط مرزی ورودی - - ،Volume flow rate که برای تعریف دبی ورودی از یک مرز کاربرد دارد، استفاده شد. همچنین برای انتهای کانال نیز از شرط مرزی Outflowکه باهدف عدم تاثیرپذیری جریان در شبکه حل از شرایط مرز خروجی - - ایجاد شده است، استفاده شد. با تعریف این شرط برای مرز خروجی، جریانی که به این مرز میرسد.
شرایط در مرز خود را طوری تطبیق میدهد که جریان بدون هیچ تاثیری از مرز عبور کند. شرط مرزی برای سطح آزاد سیال - - ، نیز Symmetry در نظر گرفته شد، با انتخاب این شرط تا وقتی که جریان سیال به این مرز نرسد، شرایط بالای سطح سیال تا بینهایت مشابه شرایط اتمسفر در نظر گرفته میشود ولی در صورتیکه سیال به این مرز برسد، شرایط بیرون شبکهی حل را نیز اشباع از سیال خواهد یافت، بنابراین در این مرز سعی شد تا مشبندی شبکه حل بالاتر از سطح آزاد جریان تعریف گردد. برای سایر مرزها نیز که همان دیوارهها و کف کانال میباشند از شرط Wall استفاده شد. این شرط مرزی دقیقا مشابه یک دیوار عمل میکند. در شکل شماره 2کانال مدل شده در نرمافزار FLOW-3D نشان داده شده است.
