بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای سهجانبی از جمله سازههای تخلیهکننده سدها بوده که علیرغم محدودیتهای هیدرولیکی، در شرایط خاص توپوگرافیکی به عنوان بهترین انتخاب مطرح میشوند. تلاطم و آشفتگی شدید جریان و اعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف و دیوارههای کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی در این سرریزها بوده که بررسی دقیق آنها ضروری است.
در این تحقیق با استفاده از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی Prometech Particleworks، میدان جریان سه بعدی بر روی سرریز جانبی U شکل و آستانه واقع در انتهای کانال جانبی، به صورت عددی و با استفاده از روش لاگرانژی نیمهضمنی ذرات متحرک 1 - MPS - شبیهسازی شده است. برای کالیبراسیون و صحتسنجی مدل عددی از دادههای آزمایشگاهی مدل هیدرولیکی سرریز سد جره ساخته شده در موسسه تحقیقات آب استفاده گردیده است.
مقایسه نتایج عددی در دبیهای 11، 55، 113 و 177 لیتر بر ثانیه، با دادههای آزمایشگاهی نشان میدهد که این مدل قابلیت پیشبینی مناسب الگوی سه بعدی جریان مزبور را دارد و همچنین روش لاگرانژی در مقایسه با روش اویلری از دقت بیشتری برخوردار است؛ به طوریکه، خطای شبیهسازی عمق جریان در محور مرکزی کانال در مدل عددی MPS به طور میانگین، به ترتیب 3.2، 5.2، 1.8 و 0.4 و در مدل عددی VOF به طور میانگین، به ترتیب 3.3، 3، 3.2 و 1.8 میباشد.
.1 مقدمه
سرریزهای سهجانبی از جمله سازههای تخلیه کننده سدها محسوب میشوند که با وجود محدودیت های هیدرولیکی، در شرایط خاص توپوگرافیکی به عنوان بهترین گزینه مطرح میباشند. سرریزهای سهجانبی نوع خاصی از سرریزهای جانبی هستند که در آنها جریان از مقابل و طرفین سرریز وارد کانال جانبی میشود. دلیل اصلی توسعه کاربرد طرح سهوجهی سرریزها، افزایش ظرفیت انتقال جریان سرریز از طریق افزایش طول تاج سرریز، در صورت محدودیت در فضای جانمایی سرریز در سامانه سدهای مخزنی بوده است
شکل – 1 پلان و مقطع عرضی سرریز سهجانبی
تلاطم و آشفتگی شدید جریان در پاییندست تاج سرریز و امکان تسرّی آن به شوت پاییندست و اعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف و دیواره های کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی در این سرریزها بوده که بررسی دقیق آنها ضروری است. موثرترین روش کاهش تلاطم و نوسانات فشار داخل کانال جانبی این نوع سرریزها، افزایش عمق جریان در این کانال میباشد.
از طرف دیگر مهمترین عامل ایجاد نوسانات فشار دینامیکی و تلاطم در داخل کانال جانبی، شدت برخورد لایههای ریزشی جریان از جوانب سرریز است. با کاهش سرعت برخورد لایههای ریزشی جریان، حتی اگر افزایش قابل توجهی در عمق جریان در کانال جانبی نباشد، تلاطم و نوسانات کاهش قابل توجهی خواهند داشت. با کاهش آشفتگی و تلاطم جریان، اختلاط هوا با جریان آب کمتر میگردد و در نتیجه حجم آب عبوری از کانال سرریز با عمق ثابت نسبت به جریان دارای آشفتگی و تلاطم زیاد، بیشتر میگردد.
در این نوع سرریزها جریان عبوری از روی تاج سرریز، امواج و آشفتگیهای سطحی جریان در داخل کانال جانبی را به طرف تندآب انتقال میدهد. در حالیکه لازم است آشفتگیهای جریان در داخل کانال جانبی - حوضچه تنظیم - از بین رفته و جریان مستهلک شده وارد تندآب گردد. در کانال جانبی سرریزهای یکجانبی، عمق آب در کنار دیوارههایی که ریزش در آنها صورت میگیرد، کمتر از طرف مقابل آن میباشد اما در سرریزهای سهجانبی جریان وارد شده از بخشهای جانبی مستقیم طرفین تاج سرریز، در وسط حوضچه به هم برخورد مینماید و در نتیجه انرژی جریان کاهش یافته و ارتفاع سطح آب در وسط کانال جانبی افزایش یافته و به شکل یک گرده ماهی در میآید.
با آرام نمودن تلاطم جریان در کانال جانبی سرریزهای سهجانبی به منظور عملکرد صحیح هیدرولیکی آنها، نوسانات فشار وارده بر کف و دیوارههای کانال جانبی کم شده و از طرفی ارتفاع امواج حاصل از آشفتگی جریان در داخل کانال جانبی تقلیل مییابد. این مسئله به بهبود شرایط جریان روی تنداب و کم نمودن ارتفاع مورد نیاز برای دیوارههای جانبی در کانال جانبی سرریزهای سهجانبی کمک قابل توجهی خواهد نمود. ارتفاع آستانه در انتهای کانال جانبی و یا کاستن از عرض در مقطع کنترل باید به اندازهای باشد که عمق کافی را در کانال جانبی برای آرام نمودن تلاطمهای جریان فراهم نماید.
تا کنون روش کامل و دقیقی برای طراحی سرریزهای سهجانبی جامعیت پیدانکرده است. غالباً سعی شده با ساخت یک مدل هیدرولیکی و تغییر پارامترهای مؤثر در عملکرد هیدرولیکی این سرریز ها، به شرایط بهینه هیدرولیکی مدل دست یافته و نتایج حاصل به نمونه اصلی تعمیم داده شود. اغتشاشات جریان و نوسانات فشار در کانال جانبی این سرریز ها زیاد است، به طوری که نمیتوان معادله دینامیکی خاصی برای پروفیل سطح آب در آنها ارائه کرد.
در مناطقی که محدود کردن ارتفاع سد با افزایش طول تاج سرریز مورد توجه باشد و تکیهگاه سد دارای شیب تند و به صورت پرتگاه بوده و پی سنگی خوبی نیز موجود باشد، کاربرد این سرریزها مناسبترین گزینه خواهد بود. از مزیت های این نوع سرریزها میتوان به افزایش طول موثر تاج سرریز در عرض محدود، افزایش قابل توجه دبی جریان با تغییرات ناچیز هد آب بالادست سرریز و عدم وقوع استغراق تاج سرریز تا هدهای خیلی زیاد اشاره نمود.
در سرریزهای سهجانبی U شکل، جریان از تمام جهات تاج U شکل وارد کانال جانبی سرریز میگردد. به منظور جلوگیری از کاهش ضریب آبگذری سرریز ناشیاز استغراق، معمولاً پهنای کانال جانبی در جهت جریان افزایش مییابد U - واگرا - . در حقیقت چون شدت جریان در طول کانال جانبی افزایش مییابد، با افزایش تدریجی عرض کانال میتوان از افزوده شدن عمق جریان در کانال و در نتیجه استغراق تاج سرریز جلوگیری نمود.
عملکرد هیدرولیکی سرریزهای سه جانبی به عواملی چند، از جمله شکل و طول تاج ورودی، شکل مقطع کانال جانبی، عرض و ارتفاع کانال جانبی سرریز، میزان دبی ورودی در واحد طول تاج سرریز، شکل و ارتفاع و فاصله آستانه - Sill - از ابتدای کانال جانبی و شیب کف کانال جانبی بستگی دارد. شکل هندسی قوس پیشانی سرریزهای سهجانبی U شکل در پلان، بر عملکرد هیدرولیکی و آبگذری جریان و همچنین اغتشاشات موجود در کانال جانبی این نوع سرریزها تاثیرگذار است.
تئوری جریان در سرریزهای سهجانبی نیز همچون سرریزهای یکجانبی بر اساس قانون بقای مومنتم استوار است، اما تفاوتهایی بین جریان در کانالهای جانبی این دو نوع سرریز وجود دارد. در سرریزهای یکجانبی فرض میشود، تنها نیروی محرک در کانال، از افت سطح آب در جهت جریان حاصل میشود. بدین ترتیب فرض میگردد که انرژی جریان عبوری از تاج سرریز، پس از ریزش به داخل کانال جانبی و درآمیختگی با آب داخل کانال مستهلک شده و لذا هیچ کمکی به جریان داخل کانال نمیکند و سرعت محوری در کانال جانبی، فقط زمانی به وجود میآید که ذرات آب ورودی، به جریان آب داخل کانال میپیوندد. در حالیکه در سرریزهای سهجانبی جریان ورودی به کانال جانبی از بخش قوسی تاج سرریز، امواج و آشفتگیهای سطحی جریان در داخل کانال جانبی را به طرف تندآب حرکت میدهد.
نبود مطالعات جامع و یکپارچه در مورد سرریزهای سهجانبی، یکی از موارد محدودکننده در کاربرد از این نوع سرریزها میباشد. انجام تحقیقات آزمایشگاهی بر روی سرریزهای سهجانبی، با توجه به پیچیدگی هندسی آنها، مستلزم صرف هزینه و زمان زیادی است، از این رو انجام مطالعات با کمک شبیهسازی عددی بسیار مناسب خواهد بود.
مطالعات زیادی برای درک ارتباط بین پارامترهای موثر و چگونگی اثر آنها در جریان بر روی سرریزهای یکجانبی صورت گرفته است، مانند کارهای - 1926 - Hinds، Farney و Markus، Yen و - 1970 - Wenzel، Bremen و - 1989 - Hager و کوچکزاده و همکاران . - 1382 - اما در مورد عملکرد هیدرولیکی سرریزهای سهجانبی مطالعات محدودی انجام شده است و بیشتر کارهای انجام شده به مسأله بهبود و اصلاح عملکرد هیدرولیکی جریان روی این سرریز ها پرداخته است. از جمله مطالعات انجام شده در ارتباط با سرریزهای سه جانبی میتوان به مطالعات Farney - 1962 - ، Knight - 1989 - و مطالعات مؤسسه تحقیقات آب - 1374 - اشاره کرد.
مطالعات مؤسسه تحقیقات آب بر روی شکل آستانه، ارتفاع و محل نصب آن و تراز کف کانال جانبی در سه مدل هیدرولیکی سرریزهای سد شهید یعقوبی، جره و سیوند انجام پذیرفته است. مطالعات Farney - 1962 - ، Knight - 1989 - بر روی ضریب تخلیه و میزان آبگذری مدل هایی از این سرریز ها انجام شده است.
منتظرکلاته و صالحی نیشابوری [1] - 1374 - به مطالعه عددی بر روی تعدادی از پارامترهای مؤثر بر عملکرد هیدرولیکی این سرریزها پرداختند. در این تحقیق با تعریف نوسانات فشار به عنوان تابع هدف و پارامترهایی چون ارتفاع آستانه، محل آستانه، شیب کف کانال جانبی و عدد فرود جریان ورودی به عنوان پارامترهای موثر، مطالعات جزیی تری روی این سرریزها انجام شد. نتیجه گرفتند که افزایش ارتفاع آستانه تاثیر چشمگیری در کاهش تلاطم جریان و نوسانات فشار داخل کانال جانبی سرریز دارد و تغییر محل آستانه در فاصله بین ابتدای کانال جانبی تا ابتدای تندآب، تاثیر چندانی در میزان آشفتگی ندارد.
مینا و همکاران >4@ - 1395 - با استفاده از نرمافزار Flow-3D به تحلیل عددی ظرفیت آبگذری و امکان وقوع پدیده کاویتاسیون در سرریزهای سهجانبی با بازوهای جانبی واگرا پرداختند. نتایج تحقیق نشان داد که با افزایش هد جریان بر روی سرریز، به تدریج مقدار ضریب آبگذری سرریزها به مقدار ثابتی میل میکند. همچنین استفاده از بازوهای جانبی مایل تاج سرریز، تاثیر مثبتی بر میزان ضریب آبگذری دارد.
تقیزاده و همکاران [3] - 1389 - با استفاده از نرمافزار Flow-3D جریان سه بعدی عبوری از روی سرریز سهجانبی U شکل سد جره و آستانه واقع در انتهای کانال جانبی آن را به صورت عددی و با استفاده از مدل آشفتگی k- بررسی کردند. مقایسه نتایج مدل عددی با دادههای آزمایشگاهی نشان داد که مدل عددی قابلیت پیشبینی الگوی سه بعدی جریان مزبور را داراست، اما در محل تشکیل گرده ماهی در داخل کانال جانبی، نتایج مدل عددی دارای بیشترین خطا در محاسبات بوده و کمتر از مقادیر نظیر آزمایشگاهی بدست آمد که ممکن است ناشی از نوسانات و اغتشاشات بیش از اندازه جریان در این ناحیه و عدم کفایت مدل آشفتگی k- باشد. همچنین افزایش ارتفاع آستانه تاثیر چشمگیری در کاهش تلاطم جریان و نوسانات فشار داخل کانال جانبی سرریز دارد و تغییر محل آستانه در فاصله بین ابتدای کانال جانبی تا ابتدای تندآب، تاثیر چندانی در میزان آشفتگی ندارد.
بررسی مطالعات قبلی نشان میدهد که کارهای انجام شده در گذشته بیشتر بر روی شکل آستانه، ارتفاع و محل نصب آن و تراز کف کانال جانبی بوده است. در این تحقیق با بهرهگیری از روش لاگرانژی MPS و با استفاده از نرمافزار Prometech Particleworks به شبیهسازی جریان بر روی سرریز سهجانبی اقدام نموده و به مقایسهی نتایج حاصل از روش لاگرانژی نسبت به مدل آزمایشگاهی و روش عددی VOF میپردازیم.
.2 مواد و روشها
1-2 روش MPS
در این تحقیق، برای حل معادلات حاکم بر جریان سیال از روش تحلیلی نیمهضمنی ذرات متحرک 1 - MPS - و بسته نرمافزاری دینامیک سیالات محاسباتی Prometech Particleworks استفاده شده است. این روش قابلیت شبیهسازی جریانهای با سطح آزاد را در هر دو حالت تراکمپذیر و تراکمناپذیر داراست و اخیرا توسط Koshizuka و همکارانش [5] پیشنهاد شده است. در روش نیمهضمنی ذرات متحرک، مکانیک محیطهای پیوسته با استفاده از ذرات، گسسته میشود.
معادلات اساسی حاکم بر روش MPS شامل معادله پیوستگی - قانون بقای جرم - و معادلات ناویر-استوکس - قانون بقای مومنتم - در فرم لاگرانژی میباشد که به شرح روابط زیر است که در آن D/Dt مشتقگیری لاگرانژی، u بردار سرعت، t زمان، ρ چگالی سیال، P فشار، g شتاب ثقل و vt لزجت گردابی سیال میباشد.
