بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از سرریزهای پلکانی از دیر باز مرسوم بوده است. این سازهها در پاییندست سد مستقر و از خطر ناشی از عبور سیلبر روی سرریز می کاهندوی همچنین باعث کاهش ابعاد حوضجه آرامش پاییندست سرریز و کاهش خطر کاویتاسیون روی سرریز میگردند. بدلیل وجود جریان دوفازی آب و هوا بر روی سرریز، تعیین مشخصات جریان روی آن پیچیده بوده و این مسئله محققین را بر آن داشت که مطالعات آزمایشگاهی و عددی فراوانی را بر روی این نوع سرریز انجام دهند. با توجه به هزینه های بالای مطالعات آزمایشگاهی ، استفاده از مدل های عددی که قادر به تعیین خصوصیات جریان بر روی سرریزهای پلکانی باشند از اهمیت فراوانی برخوردار می باشد. در مطالعه حاضر،به مدلسازی عددی سرریز سد سیاه بیشه توسط نرم افزار هیدو لیکی فلوئنت پرداخته شده است و پارامترهای سرعت جریان دو فازی و غلظت هوا بر روی سرریز تعیین شده اند.در انتها با مقایسه نتایج با نتایج سایر محققین نشان داده شده است که این مدل عددی به خوبی قادر به مدل سازی جریان دو فازی بر روی سرریز های پلکانی می باشد.
کلمات کلیدی: سرریز پلکانی،جریان دوفازی،مدل عددی فلوئنت
1.مقدمه
همزمان با توسعه ساخت سدهای بتنغلطکی RCC، سرریزهای پلکانی نیز مورد توجه قرار گرفتهاند. از مزایای سرریزهای پلکانی میتوان به آسان بودن اجرا، کاهش احتمال کاویتاسیون و کاهش ابعاد حوضچه آرامش به دلیل استهلاک چشمگیر انرژی در طول این سرریزها اشاره نمود. خطر وقوع کاویتاسیون ناشی از افت فشار، با کاربرد سرریز پلکانی که با کاهش چشمگیر سرعت و ورود هوا به جریان همراه است، منتفی میگردد. استهلاک انرژی جریان عبوری از سرریز در راستای کاهش انرژی تخریب در پاییندست سازه مهم بوده و لذا سرریز پلکانی میتواند قسمت اعظمی از این انرژی را مستهلک سازند.بطور کلی در این سرریز دو نوع جریان شامل جریانریزشی - nappe - و سرسرهای - skimming - مطابق شکل 1 و جریانانتقالی بین دو جریان فوق قابل تشخیص میباشند. تعیین نوع جریان به دبی و ارتفاع و طول پله بستگی دارد. مطالعات Horner و همکاران - - 2003شروع جریانسرسرهای را مطابق رابطه زیر بر اساس h ارتفاع پله، L طول پله و dc عمق بحرانی، ارائه میکند. چنانچه d dc باشد، جریان از نوع ریزشی خواهد بود.[ 1 ]
2. پژوهشهای انجام شده
از دیر بازمدلهای فیزیکی برای بررسی رفتار سازه ها در آزمایشگاههای هیدرولیک ساخته می شوند اما این مدل ها هزینه بر و زمان بر بوده و مشکلات زیادی در مورد تاثیرات مقیاس وجود دارد. امروزه با بکارگیری کامپیوترها رفتار سازه های هیدرولیکی می تواند به شکل عددی با صرف زمان و هزینه معقول بررسی گردد.از جمله تلاشها و مطالعات آزمایشگاهی محققین در بررسی هیدرولیک جریان بر روی سرریز های پلکانی می توان به مروری بر رفتار سرریزهابا توجه خاص به سرریزهای پلکانی توسط - 1994 - Chanson اشاره نمود. Boes و - 2003 - Hager با انجام مدلسازی آزمایشگاهی روشی برای طراحی سرریزهای پلکانی ارائه نموده اند. - 1990 - Rajaratnam روشی برای تحلیل جریان سرسره ای - Skimming - با وارد کردن یک تنش رینولدز در کف جریان سرسره ای ارائه کرد. [2]Lin و همکاران - 2002 - با استفاده از روش Fractional Volume of Fluid که روش مناسبی برای مسائل سطح آزاد پیچیده می باشد جریان روی سرریزهای پلکانی را مدل کرده و برای مدلسازی مرزهای نامنظم از شبکه بی ساختار استفاده کرده اند. Chen و همکاران در 2002 با استفاده از روش احجام محدود و به کار بردن مش بی ساختار، مدلسازی عددی سرریزهای پلکانی را انجام داده اند.
3.شرح مدل عددی مورد استفاده و روش کار:
امروزه استفاده از روش های عددی در محاسبات کامپیوتری اهمیت زیادی داشته و به عنوان ابزاری کارآمد به کار میرود. علم دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به صورت یک ابزار توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستم های با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده برای محققان و مهندسان درآمده، و در دههی گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است.مطالعه عددی حاضر بر روی سرریز سد سیاه بیشه انجام شده است. پروژه تلمبه ذخیره ای سیاه بیشه در ده کیلومتری شمال تونل کندوان در جاده چالوس بر روی رودخانه ی چالوس در دست اجرا می باشد. این پروژه شامل دو سد خاکی بالا و پایین با اختلاف ارتفاع 500 متر است که انتقال جریان از سد بالا به پایین توسط تونل انتقال آب انجام شده است. در این تحقیق مدلسازی سد سیاه بیشه بالا صورت گرفته است.
مدلسازی توسط نرم افزار Fluent - v:6,3,26 - انجام شده است. برای ایجاد هندسه سرریز از نرم افزار gambit استفاده شده است. مش های به کار رفته از نوع tri/pave می باشد که پس از تست از انواع مش بندی ها به عنوان بهترین نوع مش بندی از لحا ظ منظم بودن و تعداد کمتر مش انتخاب گشت. تعداد مش ها 42937 عدد مش مثلثی و گا م زمانی .1 ثانیه در نظر گرفته شده است . با توجه به هندسه ی سرریز و وجود پله ها امکان مش بندی به صورت چهارضلعی منظم وجود نداشت . شرایط مرزی ورودی شرط ورودی سرعت و شرط مرزی خروجی به عنوان خروجی فشار و سطح آزاد به عنوان شرط مرزی تقارن در نظر گرفته شد. برای اطمینان از صحت مش بندی در نزدیکی سطوح و دیوارها از قابلیت adapt کردن نرم افزار fluentاستفاده شده است که با استفاده از این خاصِیت مش بندی توسط برنامه در نزدیکی مرزها ریز تر شده است. محاسبات برای دبی 150متر مکعب بر ثانیه انجام شده است. محاسبات در هر آنالیز تا همگرا شدن کامل نتایج ادامه یافته است.
4.تحلیل نتایج
نرم افزار Fluent قابلیت حل معادلات جریان توسط مدل های مختلف آشفتگی را دارا می باشد که با توجه به نوع مسئله بهترین مدل آشفتگی باید انتخاب گردد. در مدل تحقیق حاضر، مدل های آشفتگی-k استاندارد و Rng و مدل تنش رینولدز جهت مدل سازی جریان بر روی سرریز به کار گرفته شده استفاده است و با توجه به نتایج، مدل تنش رینولدز به عنوان بهترین مدل آشفتگی انتخاب شده است، زیرا این مدل قابلیت مدلسازی خطوط و چرخش جریان در کنج پله ها و حفره های هوا در مرکز جریان چرخشی ایجاد شده را دارا می باشد .
.1-4 ارائه نتایج توسط مدلهای آشفتگی مختلف
شکل های 2 الی 4 مقادیر فاز آب به ترتیب توسط مدل K استاندارد و RNG و تنش رینولدز را نشان می دهد.ِیکی از اشکال خروجی هایفلوئنت ، ارائه ی مقادیر فازهای مختلف جریان - آب ،هوا،... - به صورت گرافیکی می باشد .در این اشکال مقدار فاز مورد نظر در طول سرریز توسطرنگ بندی های مختلف نشان داده می شود .در قسمت چپ این اشکال مقدار مربوط به هر محدوده با رنگ خاص آمده است برای مثال در نقاط نزدیک به کف مقدار هوا بسیار کم است و در نتیجه فاز آب بالای %90 می باشد که با رنگ نارنجی نشان داد شده است. با مشاهده ی خروجی هایمختلف برنامه برای مدلهای آشفتگی مختلف به این نتیجه می رسیم که مدل تنش رینولدز وجود حفره های هوا در کنج پله ها را به خوبی مدل کرده است .این در حالی است که مدل های آشفتگی دیگر قادر به دیدن هوا به طور دقیق در این نقاط نبوده اند. شکل های 5 و 6 نیز نتایج خطوط جریانوخطوط هم سرعت را که توسط مدل تنش رینولدز بدست آمده نشان می دهد. مقایسه نتایج شکل های فوق نشان می دهد که نتایج حاصل از مدلتنش رینولدز شباهت زیادی به واقعیت داشته و جریان گردابی داخل پله ها را بخوبی نمایش می دهد. بنابراین در ادامه این بحث از مدل آشفتگی فوقبرای شبیه سازی میدان جریان استفاده شده است.
