بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از فاکتورهای مهم در بررسی عملکرد سرریزهای پلکانی تغییرات الگوی جریان و پروفیل سطح آب در آن ها است که با توجه به رژیم جریان در روی پله ها و تلاطم جریان برداشت پروفیل سطح آب مشکل خواهد بود. در این تحقیق هدف شبیه سازی عددی الگوی جریان و پروفیل سطح آب در شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف با استفاده از مدل عددی فلوئنت می باشد. شبیه سازی عددی نتایج با مدل های آشفتگی مختلف انجام گردید و مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی مربوط به عمق جریان در ابتدا و انتهای پله ها برای مدل های مختلف نشان داد که مدل k - RNG - بهترین عملکرد را دارد، طوری که خطای آن کوچکتر مساوی %10 بود.
نتایج عددی مربوط به الگوی جریان نشان داد که در دبی های بالا - برای مثال 0/027 مترمکعب بر ثانیه - الگوی جریان در روی پله ها از نوع غیرریزشی و در دبی های پایین - برای مثال 0/0024 مترمکعب بر ثانیه - رژیم جریان از نوع ریزشی می باشد. با ایجاد لبه در روی پله ها ، هواگیری جریان در مقایسه با حالت بدون لبه زودتر اتفاق میافتد، اختلاط هوا با آب باعث خواهد شد که افزایش تراز سطح آب را به دنبال دارد. همچنین با افزایش ضخامت لبه سرریز، هواگیری جریان سریعتر اتفاق میافتد.
1. مقدمه
سرریزهای پلکانی از جمله سازههایی هستند که اغلب در محلهایی با شیب تند برای انتقال آب و همچنین در جهت استهلاک انرژی و کاهش فرسایش مورد استفاده قرار میگیرند. پلهها وظیفه افزایش نرخ استهلاک انرژی را در طول سرریز بر عهده دارند و باعث کاهش ابعاد حوضچه آرامش میشوند.]1[ امروزه استفاده از سرریزهای پلکانی در نقاط مختلف دنیا به علت توانایی فوقالعاده آنها در استهلاک انرژی جریان و در نتیجه کاهش ابعاد حوضچه آرامش و همچنین کنترل و کاهش پدیده خلاءزایی در سرریز، رواج گستردهای یافته است.
این سرریزها به عنوان یک گزینه برتر در سد های بتن غلطکی - Rcc - مطرح هستند زیرا علاوه بر مزایای ذکر شده، همخوانی تکنولوژی ساخت سدهای بتن غلطکی با روش ساخت سرریزهای پلکانی مزید بر علت شده و امروزه به طور معمول سدهای بتن غلطکی به سرریز پلکانی مجهز میشوند.[2] از نمونه دیگر مزایای استفاده از سرریز پلکانی میتوان به کاهش احتمال کاویتاسیون بر روی سرریز اشاره نمود. تحقیقات نشان میدهد که در سرعتهای بالاتر از 30 متر در ثانیه احتمال وقوع خلازایی بسیار زیاد میباشد.[4]
با تغییر دبی عبوری از روی این سرریزها، سه نوع جریان شکل میگیرد. در دبیهای کم، آب به صورت فوارنهای ریزشی از پلهای به پله دیگر حرکت میکند و یک محفظه از هوا در زیر لایه جریان و در مجاورت نقطه سقوط از پله شکل میگیرد که باعث هوادهی جریان شده و جریان ریزشی نامیده میشود. در دبیهای بالا، جریان به شکل لغزشی در آمده و گردابههای چرخشی در گوشه پلهها به وجود میآید و این جریان غیرریزشی نامیده میشود، که استهلاک انرژی جریان توسط این گردابههای چرخشی صورت میگیرد. یک نوع جریان بین این دو نوع جریان وجود دارد که به جریان انتقالی موسوم میباشد .[3]
بر روی سرریزهای پلکانی تاکنون تحقیقات زیادی صورت گرفته است. سورنسن از جمله افرادی بوده است که تحقیقاتی را در زمینهی هیدرولیک سرریزهای پلکانی انجام داده است.[5] چانسون و همچنین چمنی و راجاراتنام تحقیقات زیادی را بر روی رژیم جریان تیغهای انجام دادند و روابطی را نیز جهت تعیین میزان افت انرژی در این نوع از رژیم جریان ارائه نمودند.[6] نادری راد - 1386 - استهلاک انرژی را در سرریزهای پلکانی و سرریز اوجی مقایسه کرده و نشان داد که نسبت استهلاک انرژی به انرژی اولیه در سرریز پلکانی به میزان80/9 درصد نسبت به سرریز اوجی افزایش داشته است.[7]
در پژوهش رضائی و همکاران - 1390 - میزان افت انرژی جریان عبوری از سرریز پلکانی و پروفیل جریان شکل گرفته بر روی آن با دو روش حجم سیال و اختلاطی شبیهسازی گردید.[8] گلزار و همکاران - - 1390 شبیهسازی دوبعدی جریان دوحالتی بر روی سرریزهای پلکانی را مقایسه کردند، نتایج آنها نشان داد که با افزایش بدهی ورودی جریان، نیمرخهای سرعت، پهن شده و گسترش بیشتری پیدا میکنند و ارتفاع جریان و بیشترین سرعت جریان افزایش مییابند که در نتیجه، استهلاک انرژی جریان کاهش مییابد.]9[
ورجاوند و همکاران - - 1387 سرریز پلکانی را با استفاده از مدل فلوئنت شبیهسازی و برای مدلسازی آشفتگی جریان از مدل آشفتگی k- استاندارد استفاده کردند. برای این کار استهلاک انرژی از روی سرریزهای پلکانی به ازای تعداد پلههای مختلف ارزیابی شد .[10] طاهرشمسی و همکاران - 1388 - بهمنظور بررسی افت انرژی سرریز پلکانی در دو حالت پله بدون لبه و پله لبهدار باضخامتهای 1، 2، 3 و 4 سانتیمتری مدلسازی را انجام دادند. به دلیل پیچیدگی جریان دوفازی آب و هوا بر روی سرریز پلکانی، مدل دینامیک سیال محاسباتی حجم محدود با نرمافزار فلوئنت دوبعدی برای شبیهسازی این نوع جریان مورداستفاده قرار گرفت .[11]
مرتضوی و همکاران - - 1391 آنالیزی برای یک سرریز پلکانی - 15 پلهای - با دبیهای متفاوت با نرمافزار فلوئنت با انتخاب مدل آشفتگی k- استاندارد و روش عددی حجم سیال - - VOF انجام دادند. نتایج این پژوهش نشان میدهد که با افزایش دبی جریان، بدون اعمال تغییرات در هندسه مدل از میزان استهلاک انرژی کاسته میشود .[12] معیری و همکاران - - 1392 با استفاده از مدل عددی فلوئنت رژیمهای جریان رویهای و بینابینی برای سرریز را مورد بررسی قرار دادند.
مدلهای جریان چند فازی حجم سیال - - vof، اختلاط و اولرین و همچنین مدلهای تلاطم k- بهصورت دوبعدی و سهبعدی به همراه الگوریتمهای حل همزمان فشار- سرعتPISO و Simple مورداستفاده قرار گرفت. از بین مدلهای جریان چند فازی، مدل اختلاط و از بین مدلهای تلاطم مدل RNG k- بهترین جواب را داشتند .[13] صدریان زاده و همکاران - 1393 - مدلهای آزمایشگاهی از جریان در یک سرریز پلکانی با جریان غیر ریزشی را توسط نرمافزار فلوئنت در حالت سه بعدی شبیهسازی و نقطه هواگیری طبیعی را مورد بررسی قرار دادند .[14]
.2 مواد و روشها
-1-2 نرم افزار فلوئنت و روش حل CFD
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت است از تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیدههای همراه نظیر واکنشهای شیمیایی، براساس شبیهسازی کامپیوتری. مدل فلوئنت بهترین ابزار موجود برای تحلیل عددی جریان سیال در هندسههای پیچیده میباشد. این مدل توسط زبان قدرتمند برنامه نویسی C نوشته شده و مبتنی بر اصول اساسی دینامیک سیالات محاسباتی مانند بقای جرم، مومنتم و انرژی بوده و از معادلات ناویر استوکس برای تحلیل جریان استفاده کرده و برای انفصال سازی این معادلات از روش حجم محدود استفاده میکند .[14]
-1-1-2 معادلات حاکم بر جریان
مدلسازی عددی شامل حل معادلات ناویر- استوکس است که بر پایه قوانین بقای جرم و مومنتوم برای سیال در حال حرکت استوار میباشد.
-2-2 مدل آزمایشگاهی
در این تحقیق از نتایج مدل فیزیکی شفیعیپور و همکاران - 1392 - که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده کشاورزی دانشگاه صنعتی شاهرود طراحی و اجرا شده بود، استفاده شد. این مدل مربوط به سرریز پلکانی ساده با 10 پله بود. در آزمایشها مشخصات هیدرولیکی جریان عبوری از روی سرریز پلکانی برای مدل به ازای دبیهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. ارتفاع و طول پله در مدل 10 سانتی متر بوده است. ارتفاع مدل سرریز نیز ثابت و برابر 1 متر در نظر گرفته شده و در نتیجه شیب سرریز45 درجه بود.
