بخشی از مقاله
چکیده
رسوب گذاری در مخازن سدها مهمترین عامل کاهش عمر مفید سد و حجم ذخیره آن می باشد. مهمترین عامل رسوب گذاری در سدها جریان های غلیظ می باشند که در تعریفی ساده جریان غلیظ به جریانی گفته می شود که سیالی درون سیال دیگر با چگالی متفاوت حرکت کند. در مطالعه پیش رو به بررسی تأثیر استفاده از مانع در کنترل جریان غلیظ به روش عددی پرداخته شده است.
شبیه سازی عددی کمک می کند تا بدون صرف هزینه ی زیاد بتوان بررسیهای لازم در این زمینه را انجام داد، یکی از نرم افزارهای محاسباتی که کاربرد زیادی در زمینه طراحیهای مهندسی دارد نرم افزار Flow-3D می باشد که در این تحقیق از این نرم افزار استفاده شده است. در این تحقیق جهت صحت سنجی از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شده است و مقایسه نتایج نشان داد که مطالعات آزمایشگاهی و نتایج شبیه سازی از تطابق خوبی برخوردار هستند، سپس درصد کاهش دبی در حضور مانع و در فواصل مختلف مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
در اغلب بازههای رودخانههای طبیعی، تقریباً میزان رسوبات ورودی و خروجی در تعادل هستند. احداث سازه سد این تعادل را به هم میزند. پس از سالها که رسوبات در مخزن سد تجمع یافتند مخزن ظرفیت ذخیرهاش را از دست میدهد. جریان غلیظ به عنوان مهمترین عامل انتقال رسوبات به نزدیکی بدنه سد بوده و می تواند باعث تجمع رسوبات در نقاط کلیدی سد شود.
روشهای مختلفی برای مدیریت کنترل رسوب در مخازن وجود دارد که یکی از این آنها روش سازه ای است. ایجاد مانع در برابر جریان غلیظ به عنوان یکی از گزینه های روش سازه ای می تواند جریان را کاملا متوقف یا نسبتا متوقف نماید و این مسئله باعث کاهش سرعت جریان و در نتیجه ته نشین شدن رسوبات در پشت مانع و کاهش غلظت و چگالی جریان عبوری از روی مانع می گردد.
پرینز - 1999 - تاثیر دو شکل نیم دایره و مثلثی و موقعیت مانع را در شیب افقی با استفاده از آزمایشات مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که شکل مانع تاثیری در بلوک نمودن جریان ندارد و در عدد فرود 0/7 تا 0/8 ارتفاع مانع برابر ارتفاع بدنه جریان باعث توقف جریان می شود. برسیک و ودز - 2000 - به تاثیر ایجاد مانع و تنگ شدگی و بازشدگی کوچک بر کنترل نسبی جریان پرداختند و آنها اعلام نمودند تنها زمانی مانع بر الگوی رسوبگذاری جریان موثر است که باعث توقف نسبی جریان شود.اوهی و اشلایز - 2007 - به تاثیر روشهای مختلف از جمله احداث مانع ،احداث مانع مشبک ، جت آب 45 درجه و 90 درجه و دیواره حباب بر کنترل جریان غلیظ در مخازن سدها پرداخته اند.
اصغری - 1388 - با بررسی آزمایشگاهی و با جریان نمکی به بررسی ارتفاعی از مانع که باعث کنترل جریان غلیظ در شرای مختلف ورودی - دبی، غلظت و شیب - پرداخت. نتایج وی نشان میدهد که با افزایش شیب اثر ارتفاع مانع در توقف جریان غلیظ کاهش مییابد.دریایی و همکاران - 1393 - به بررسی تاثیر مانع و زبری در کنترل جریان غلیظ رسوبی پرداختند نتایج آنها نشان داد که به کار بردن زبری به همراه مانع تاثیر قابل توجهی بر روی کنترل دبی جریان غلیظ خواهد داشت.
دینامیک سیالات محاسباتی، یکی از روشهای مناسب جهت بررسی پدیدههای هیدرودینامیکی و از جمله جریان غلیظ میباشد که در مقایسه با روشهای دیگری همچون روشهای آزمایشگاهی و تجربی دارای مزایای مختلفی میباشد. در این تحقیق مدلسازی تاثیر مانع بر حرکت جریان غلیظ با استفاده از مدل عددی Flow-3D صورت گرفته است. انتخاب مش مناسب و بهینه، انتخاب بهترین مدل تلاطم در شبیه سازی جریان غلیظ و بررسی نتایج حاصل از مدل سازی جریان، پارامترهای هیدرولیکی مانند پروفیل سرعت و حرکت جریان غلیظ و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی، جزو مراحل مهم کار می باشد.
مدلهای اشفتگی
نرم افزارFLOW-3D شامل پنج مدل آشفتگی -1:مدل طول اختلاط پرانتل -2 مدل یک معادله ای انرژی جنبشی آشفتگی -3مدل دومعادله ای - و -4 k مدل گروه های نرمال شده -5 - RNG - مدل شبیهسازی گردابههای بزرگ می باشد. تاکنون صدها مدل آشفتگی ارائه شده اند که هر یک برای رژیم های خاص جریانی و حتی در ناحیه های خاص از میدان جریان معتبر و دقیق میباشند.
هدف نهایی تمام مدلها محاسبه اندازه تنش رینولدز در نقاط مختلف جریان میباشد. لازم به ذکر است که مدل های تلاطم معادلات نیمه تجربی بوده و برای تشریح وقوع و زوال تلاطم در درون سیال و نزدیک مرزها مورد استفاده قرار می گیرند. در این تحقیق با توجه به بررسی های انحام گرفته و مقایسه مدل ها ، از مدل k استفاده گردیده است.
مواد و روشها
جهت کالیبراسیون مدل عددی از نتایج آزمایشگاهی اوهی و همکاران - 2007 - استفاده گردید. اوهی اثر مانع غیر مشبک، مانع مشبک به صورت شبکه ژئوتکستایل عمودی، جت عمودی ، جت 45 درجه و دیوار حباب را در دو شیب افقی - جهت ایجاد جریان زیر بحرانی - و شیب 4/64 - جهت ایجاد جریان فوق بحرانی - را با 20 آزمایش، در یک فلوم، به طول7/1 متر، عرض 27 سانتی متر و ارتفاع 90 سانتی متر با جریان رسوبی بررسی نمود.مطالعات آنها بر روی مانع غیر مشبک که مدل سازی مطالعه حاضر با نتایج آن صحت سنجی گردیده به شرح ذیل می باشد: مانع در نظر گرفته شده در کلیه 5 آزمایش انجام شده دارای یک برآمدگی به ارتفاع 24سانتی متر بوده که در کل عرض فلوم ایجاد شده و شکل آن از تابع گوسین پیروی می نمود.
صحت سنجی مدل عددی
بهمنظور ارزیابی نتایج بهدست آمده از شبیهسازی عددی حرکت جریان غلیظ و انتخاب بهترین مدل تلاطم، ابتدا به مقایسه نتایج نیمرخ سرعت بهدست آمده از مدل عددی با مدل آزمایشگاهی بدون مانع در فواصل 120 سانتی متر و 555 سانتیمتر از دریچه ورودی انجام گرفته است. نتایج توزیع سرعت مدل عددی انطباق خوبی با نتایج مدل آزمایشگاهی دارد بطوری که نشان میدهد که هر سه مدل آشفتگی k-، RNG و k توانستهاند به خوبی نیمرخ سرعت را شبیه سازی نمایند ولی مدل آشفتگی k در شبیهسازی عددی توزیع سرعت جریان غلیظ، نتیجه بهتری از دو مدل آشفتگی دیگر نشان داده است. با استفاده از نتایج بهدست آمده میتوان مدلسازی عددی را قادر به پیش بینی موارد مشابه دانست.
