بخشی از مقاله
خلاصه
هر بهمنظور کاهش آثار زیانبار عبور جریان از روی سرریزها، تمهیدات گوناگونی موجود است. که یکی از آنها استفاده از سرریز پلکانی است. باوجوداینکه در چند دهه اخیر دانشمندان و محققان به پژوهش در مورد اینگونه سرریزها روی آوردند. هنوز جوانب بسیاری از این سرریزها ناشناخته باقیمانده است.
در سه دهه گذشته، بیشتر، هیدرولیک سرریزهای پلکانی تخت موردمطالعه محققین قرارگرفته و مطالعات بر روی طراحیهای جایگزین بسیار محدود بوده است. همچنین میبایست به این نکته اشاره نمود که بیشتر این تحقیقات بهصورت ساخت مدلهای فیزیکی بوده است، حال با توجه به اینکه برای ساخت مدل فیزیکی علاوه بر صرف هزینه و زمان بسیار، نیاز به وسایل اندازهگیری دقیق و همچنین در نظر گرفتن اثر مقیاس میباشد؛ بنابراین استفاده از روشهای کمهزینهتر، سریعتر و دقیقتر برای بررسی پارامترهای هیدرولیکی این سازهها ضروری به نظر میرسد.
با پیشرفت روزافزون سختافزار و نرمافزارهای کامپیوتری، استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی راهحلی مطمئن و ارزان جهت شبیهسازی جریانهای مختلف میباشد. ازاینرو در این پژوهش، به شبیهسازی عددی خصوصیات هیدرولیکی چند طرح تلفیقی از سرریز پلکانی مستغرق پرداخته و نتایج با طرح رایج سرریز با پلکان تخت و مدلسازی آزمایشگاهی تز دکتری فلدر1 مقایسه شد.
مشاهدات حاکی از آن بود که اعمال شیب معکوس به کف پله در طرح سرریز پلکانی مستغرق سبب کاهش آشفتگی جریان عبوری از روی سرریز شده که به تبع آن کاهش هوادهی جریان نسبت به طرح اولیه سرریز مستغرق مشاهده شد. که در بیشترین حالت یعنی درشیب بستر معکوس 25 درجه شاهد 75 درصدی نسبت به میزان هوادهی در طرح سرریز مستغرق متخلخل - با شیب بستر صفر - است.اما با ایجاد آستانه در انتهای پلکان ها افزایش آشفتگی و هوادهی نسبت به حالت طراحی معمولی مشاهده شد. همچنین در طرحهای سرریز معمولی با اعمال شیب معکوس به بستر پلهها افزایش هوادهی جریان ملاحظه میشود.
1. مقدمه
هیدرولیک سرریزهای پلکانی از پیچیدگی زیادی برخوردار است و علت آن وجود رژیمهای مختلف جریان آب هوا، شدت هوادهی جریان، تلاطم بسیار شدید و اندرکنش بین هوای محبوس و جریان متلاطم است. باوجود روی آوردن چند دهه اخیر دانشمندان و محققان به اینگونه سرریزها جوانب بسیاری از این سرریزها ناشناخته باقیمانده است. سرریزهای پلکانی به دلیل ایجاد آشفتگی بالا و وارد ساختن هوا در جریان عبوری که سبب افزایش سرعت بحرانی میشود و با ایفا نقش زبریهای بزرگ در طول سرریز سبب کاهش سرعت جریان عبوری از روی سرریز میشود، که این امر به شکل چشمگیری خطر وقوع کاویتاسیون کهمعمولاً احتمال وقوع آن در سرعتهای بالا وجود دارد را کاهش میدهند.
امروزه به دلیل ضعفهای مدلهای فیزیکی مانند خطاهای تأثیرات مقیاس، مدلسازی عددی میتواند طراحان را در به دست آوردن جزئیات درست با صرف وقت و هزینه کمکمک نماید. امروزه با در دسترس بودن کامپیوترهای مجهز و نرمافزارهایی که اساس کار آنها دینامیک سیالات محاسباتی - CFD1 - است، امکان مشاهده رفتار سازههای هیدرولیکی با توجیه اقتصادی و زمانی مناسب فراهمشده است. هرچند مدلهای عددی نیز با محدودیتهایی مواجهاند، در بسیاری از موارد این مدلها نسبت به ضوابط طراحی ارائهشده و مدلهای فیزیکی از دقت بالاتری برخوردارند و کاربردیتر میباشند.
درصورتیکه ضخامت لایهمرزی آشفته در طول تنداب برابر عمق جریان باشد، جریان کاملاً آشفته در نظر گرفته میشود. این نقطه بهعنوان نقطه شروع هوادهی سطحی در نظر گرفته میشود. در این نقطه تلاطمهای ناشی از جریان آشفته آنچنان سطح جریان را جابجا میکند که این حرکات جانبی قادر خواهند بود برکشش سطحی غلبه کنند و درنتیجه هوا به جریان وارد شود. با توجه به بررسیهای صورت گرفته توسط فالوی و آروین - 1988 - حرکت حباب در آب تحت تأثیر نیروهای اینرسی، کشش، شناوری و ادی های ناشی از آشفتگی میباشد. علاوه بر آن، راچمن به نقش گرادیان فشار غیر هیدرو استاتیکی بر سرعت صعود حباب هوا اشاره میکند.
پدیده کاویتاسیون یکی از پیچیدهترین و شایعترین آسیبهایی است که به سازه سرریزها وارد میشود و ناشی از بزرگا و نحوه برهمکنش بسیاری از عوامل تأثیرگذار بر خسارت است. ازجمله پارامترهایی که در کاویتاسیون دخیل هستند میتوان فشار، سرعت جریان و مقاومت مصالح، مدتزمان بهرهبرداری و میزان هوای جریان را نام برد. تحقیقات بهعملآمده بعد از سال 1953 نشان میدهد که مقدار بسیار ناچیزی هوا در جریان سیال به مقدار قابلتوجهی از میزان خرابی ناشی از کاویتاسیون میکاهد.
بررسیها نشان میدهد که افزایش مقدار هوا باعث افزایش سرعت بحرانی میشود - سرعت بحرانی سرعتی است که کاویتاسیون در آن رخ میدهد - . بهطور مثال برای سرریز ساختهشده با بتن دارای مقاومت فشاری - 20×106 - پاسکال عمل کاویتاسیون زمانی که جریان آب هوادهی نشده باشد در سرعتی حدود 10 متر بر ثانیه شروع میشود درحالیکه اگر 8 درصد حجم، هوا به آب اضافه شود در این صورت کاویتاسیون در سرعت حدود 23 متر بر ثانیه شروع میشود.
مطالعات انجامشده توسط پترکا نشان میدهد که 6 تا 8 درصد هوا در آب برای جلوگیری از عمل کاویتاسیون کافی است، ازاینرو عمل هوادهی در غالب سرریز سدها انجام میشود. بر اساس نظر آروین و فالوی در سال 1987، شدت آشفتگی - Tu - فاکتور مهمی در فرایند هوادهی میباشد. شدت آشفتگی - - Tu / u بهصورت نسبت انحراف استاندارد جذر سرعت - - v در بازه زمانی و میانگین سرعت در همان زمان جهت عمود برجهت اصلی جریان حرکت میکنند، برای خروج از جریان میبایست از انرژی کشش سطحی برخوردار باشند. قطرات آبی که از سطح به بالا پرتابشده و مجدداً به پایین محبوس کرده و به جریان وارد کنند.
.2 معادلات حاکم معادلات پیوستگی
معادلات سهبعدی بقای جرم در نرمافزار FLOW-3D به این صورت تعریف میشود:
در این F V معادله حجم جزئی سیال - بخشی از حجم کل که توسط مایع پرشده است - ، چگالی سیال، RDIF نشاندهنده عبارت پخشیدگی1 ناشی از آشفتگی و RSOR نمایانگر منبع جرم2 میباشد. u، v و w سرعتهای جزئی در جهتهای x، y و z در مختصات کارتزین Ax،Ay،Az مساحتهای جزئی در جهات فوق میباشد. ضریب R در معادله فوق به انتخاب سیستم مختصات بستگی دارد. در مختصات استوانهای مقادیر وابسته به y با این ضریب به مختصات قطبی تبدیل میشود.
در این معادله C است که در آن ضریب پخش مومنتم - لزجت - و C ضریب ثابتی است که معکوس آن بهعنوان عدد آشفتگی اشمیت نامیده میشود. این نوع از معادلات تنها برای فرایندهای آشفتگی در سیالاتی با چگالی غیر یکنواخت کاربرد دارد.
RSOR عبارتی مربوط به چگالی است که بهعنوانمثال در مدل کردن تزریق جرم از خلل و فرج یک دیواره متخلخل کاربرد دارد. معادله - 3-3 - برای سیالات تراکم پذیر کاربرد دارد. در سیالات تراکم ناپذیر، چگالی ثابت است. با در نظر گرفتن این موضوع معادله فوق برای سیالات تراکم ناپذیر به این صورت تغییر میکند:
در مسائلی که علیرغم تراکم ناپذیری سیال، لازم است تغییرات زمانی چگالی نیز منظور شود، از تقریب زیر استفاده میشود . در این رابطه 2 C برابر مجذور سرعت صوت و p برابر فشار میباشد.
