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 و بهصورت آزمایشگاهی 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 طرح سرریز پلکانی مستغرق متخلخل پرداخته و نتایج با طرح رایج سرریز با پلکان تخت و مدلسازی آزمایشگاهی تز دکتری فلدر1 مقایسه شده است. مشاهدات حاکی از آن بود که اعمال شیب معکوس به کف پله در طرح سرریز پلکانی مستغرق متخلخل با افزایش هوادهی جریان همراه بوده . که در بیشترین حالت یعنی درشیب بستر معکوس 25 درجه افزایش 7 درصدی نسبت به میزان هوادهی در طرح سرریز مستغرق متخلخل معمولی - با شیب بستر صفر - را نشان میدهد.اما با کاهش قطر منافذ آستانه متخلخل انتهایی پلهها در ناحیه توسعهیافتگی آشفتگی کاهش هوادهی 88 درصدی و با دو برابر کردن قطر حفرات کاهش 70 درصدی 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 - CFD2 - 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.
هنگامیکه ذرات آب در جهت عمود برجهت اصلی جریان حرکت میکنند، برای خروج از جریان میبایست از انرژی جنبشی کافی برای غلبه بر مقاومت نیروی کشش سطحی برخوردار باشند. قطرات آبی که از سطح به بالا پرتابشده و مجدداً به پایین بازمیگردند قادرند مقداری هوا را در خود محبوس کرده و به جریان وارد کنند.
2. معرفی نرمافزار
FLOW-3D یکی از نرمافزار قدرتمند درزمینه ی تحلیل مسائل وابسته به زمان در مختصات یک، دو و سهبعدی است که قادر به حل معادلات ناویر - استوکس میباشد. ازآنجاکه این نرمافزار بر اساس قوانین اساسی بقای جرم، انرژی و مومنتم طراحیشده است، تقریباً برای هر نوع فرآیند هیدرولیکی کاربرد دارد. از تواناییهای عمده این نرمافزار، مدل کردن دقیق مسائل جریان با سطح آزاد است. در این نرمافزار سطح آزاد به روش حجم سیال - VOF - مدل میشود. برای شبکهبندی در این نرمافزار از المانهای ساده مستطیلی استفاده میشود که علاوه بر اینکه بهسادگی قابلتولید است، از دقت معقولی نیز برخوردار بوده و کمترین میزان حافظه را اشغال میکند.
معادلات حرکت در این نرمافزار به روش تفاضل محدود و یا در برخی مواقع حجم محدود حل میشوند. تمامی معادلات با استفاده از توابع تخلخل حجم و سطح - FAVOR - فرمولبندی میشود. در این فرمولبندی از مقدار تخلخل حجمی صفر برای تعریف مانع استفاده میشود. معادلات تخلخل باعث سادهسازی در تعریف سطح آزاد و شرایط مرزی دیواره میشود. در این نرمافزار معادلات حجم و سطح مستقل از زمان میباشد اما در برخی موارد که موانع متحرک هستند، این معادلات بازمان تغییر میکنند.FLOW-3D شامل الگوهای فیزیکی مختلفی میباشد که عبارتاند از: آبهای کمعمق، لزجت، کاویتاسیون، آشفتگی، آب شستگی و کشش سطحی. این نرمافزار در دامنه وسیعی از علوم شامل ریختهگری و مهندسی مواد، هیدرولیک، هوا و فضا، اندود فلزات، مهندسی دریا، نفت و گاز کاربرد دارد
3. معادلات حاکم
جریان سهبعدی سیالات تراکم ناپذیر لزج را میتوان از طریق معادله پیوستگی جرم و سه معادله مقدار حرکت در جهت محورهای مختصات دکارتی X، Y ، Z موسوم به معادلات ناویر استوکس بیان کرد. این معادلات درواقع بیان ریاضی اصول پایستاری جرم و مقدار حرکت است
