بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله با استفاده از نرم افزار Flow-3D، مدل عددي الگوي جریان اطراف یک آبشکن تهیه و با اعمال مدلهاي مختلف آشفتگی جریان، شامل اعداد فرود مختلف و قرار دادن آبشکن منفرد L شکل - سرکج - در 4 موقعیت با زوایاي 30، 45، 60و75 درجه نسبت به جهت جریان در قوس180 درجه و دبیهاي 18، 20، 22 و 25 لیتر بر ثانیه و عمق ثابت12 سانتی متر، در شرایط آب زلال، به تاثیر این مدلها برالگوي جریان اطراف آبشکن پرداخته شد. این تحقیق نشان داد که محدوده سرعتهاي ماکزیمم و جریانهاي گردابهاي در زوایه 75 درجه بیشترین مقدار و کمترین مقدار آن در زوایه 30 درجه رخ خواهد داد و در زوایاي مختلف با افزایش عددفرود، میزان سرعت در دماغه آبشکن افزایش مییابد.
کلمات کلیدي: الگوي جریان، آبشکن L شکل - سرکج - ، نرم افزارFlow-3D، زاویه آبشکن
.1 مقدمه
ساماندهی سواحل رودخانهها یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه است. ساماندهی رودخانه به مجموعه اقداماتی گفته می شود که براي مهار و تثبیت یک رودخانه در یک مسیر مورد نظر و مناسب انجام می شود و هدایت جریان در مسیر مشخص و مطلوب را تأمین می نماید. فرسایش ساحل رودخانهها در قوس خارجی رودخانهها موجب ایجاد خسارت فراوان به اراضی و تاسیسات ساحلی می شود. آبشکن سازه هیدرولیکی سادهاي است که براي ساماندهی رودخانهها در قوس یا مسیر مستقیم استفاده می شود. براي تعیین عمق آبشستگی در مجاورت آبشکن نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوي جریان اطراف آن بوده تا با توجه به آن، روش مناسب براي تخمین عمق فرسایش، مشخص گردد.
علی رغم مطالعات فراوان انجام شده جهت درك هیدرولیک جریان در قوس رودخانه، مطالعه جریانهاي ثانویه، سرعتهاي طولی و عرضی، قدرت جریان ثانویه وآشفتگی جریان و پیچیدگی آن، تاکنون کمتر مطالعه اي بر روي الگوي جریان در اطراف آبشکن سرکج - L شکل - در قوس180درجه صورت گرفته است. لذا در این مقاله به بررسی ریاضی اثر هیدرولیک جریان و زاویه قرارگیري آبشکن L شکل برالگوي جریان، با منظور کردن چهار دبی مختلف پرداخته شد. مدلهاي عددي - - CFD بر اساس ابعاد واقعی عمل نموده و از شرایط خاص جهت تعیین سرعت جریان آشفته و آبشستگی بستر استفاده مینمایند. در این مقاله از نرم افزار Flow-3D که نرم افزاري چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازي به صورت دو بعدي و سه بعدي است، استفاده شد.
.2 پیشینه تحقیق
محقیقن بسیاري الگوي جریان و آبشستگی در دماغه آبشکنها را مورد مطالعه قرار دادهاند. حکیم زاده و همکاران - 1386 - ، به بررسی الگوي جریان اطراف آبشکنهاي مایل به روش حجم محدود با استفاده از نرم افزار FLUENT پرداختند و به این نتیجه رسیدند که با متمایل شدن دآبشکن به سمت دیواره کانال، طول گردابهها کاهش مییابد و همچنین سرعت ماکزیمم و در نتیجه تنش برشی ماکزیمم که در مجاورت آبشکن رخ میدهد، کاهش مییابد. قدسیان و همکاران - 1387 - ، با انجام یک سري آزمایشات به بررسی آزمایشگاهی الگوي جریان و آبشستگی، پیرامون آبشکنT شکل در قوس 90 درجه پرداختند. تغییرات موقعیت سرعت ماکزیمم براي سه مقدار دبی 15،30و 45 لیتر بر ثانیه در آزمایش وي مد نظر قرار گرفت.نتایج ایشان نشان میدهد که محدوده سرعتهاي ماکزیمم تا زاویه 45 درجه در نزدیکی دیواره داخلی قرار دارد و از 45 درجه به بعد به طرف میانه کانال منحرف میشود و همچنین افزایش طول آبشکن، افزایش عدد فرود جریان و تغییر موقعیت آبشکن به سمت پائین دست قوس باعث افزایش ابعادچاله آبشستگی میشود.
ژانگ و همکاران - 2009 - ، جریان متلاطم و الگوي جریان را اطراف آبشکن تخت نفوذناپذیر با استفاده از روش آزمایشگاهی و روش عددي در شرایط آب زلال بررسی نمودند. مدل آشفتگی مورد استفاده آنها براي شبیه سازي میدان جریان و گردابههاي ایجاد شده مدل K بود و پس از مقایسه نتایج عددي با نتایج روش آزمایشگاهی از تطابق آنها به این نتیجه رسید که مدل آشفتگی K براي شبیهسازي جریانهاي متلاطم مناسب است. او همچنین نتیجه گرفت که جریان نزدیک سطح آب در مجاورت دیواره کانال تشکیل گردابه میدهد و در آنجا باقی میماند، در حالی که باقی جریان با سرعت زیاد به سمت دماغه آبشکن منحرف و به پایین دست منتقل میشود. همچنین جریان میانی به صورت گردابه نعلی شکل به سمت بستر کانال حرکت میکند و در نزدیکی بستر جریان به دو قسمت تقسیم میشود که یک قسمت به صورت گردابه نعلی به پایین دست و مرکز کانال منتقل میشود.
در نتیجه ناحیه آبشستگی بستر به سمت پایین دست و مرکز کانال توسعه مییابد و قسمت دیگر به صورت گردابهحلقوي در پشت آبشکن باقی میماند و دائما به سمت دیواره کانال منحرف میشود و این موجب عمیقتر و بزرگتر شدن چاله آبشستگی میگردد. جهرمی و همکاران - 1389 - ، با استفاده از مدل عددي CCHE2D الگوي جریان و رسوب حول آبشکن در قوس 180درجه را شبیهسازي عدديکردند. طول آبشکنها 8، 10و12 سانتی متر و موقعیت قرارگیري آنها در زوایاي 30، 90و170درجه قوس میباشد. دبیهاي بکاررفته در این پروژه20،24و28 لیتر بر ثانیه است. براي شبیه سازي جریان از مدلهاي K ، طول اختلاط ولزجت گردابهاي و براي شبیه سازي رسوب از فرمول بار کل با تاکید بر بار بستر استفاده شده است. نتایج نشان میدهد کهCCHE2D ناحیه جریان برگشتی در پایین دست آبشکن را بخوبی مدل میکند ونتایجمدل K ، تقرًیبا با نتایج مدل طول اختلال مطابقت دارد. همچنین با افزایش طول آبشکن، افزایش دبی و افزایش زاویه مربوط به موقعیت قرارگیري در قوس، عمق و ابعاد چاله آّبشستگی نیز افزایش مییابد.
اکبري - 1389 - ، با انجام مطالعه آزمایشگاهی، تاثیر آبشکن L شکل بر میزان آبشستگی پیرامون آن در قوس180درجه با - قوس ملایم - را مورد بررسی قرار داد. با تغییر اندازه جان، اعداد فرود و زاویه آبشکن، اثر آن بر روي میزان عمق آبشستگی مورد بررسی قرار گرفت. او در این بررسی با قرار دادن 4 آبشکن منفرد L شکل - سرکج - در 4 موقعیت با زوایاي30، 45، 60و 75 درجه نسبت به جهت جریان در قوس، دبیهاي18،20، 22و 25 لیتر بر ثانیه، پدیده آبشستگی حول آبشکن را مورد بررسی قرار داد. نتیجه این تحقیق نشان دادکه میزان حداکثر آبشستگی در زوایه 75 درجه و کمترین عمق آبشستگی در زوایه 30 درجه رخ داد و در زوایاي مختلف با افزایش عددفرود، عمق آبشستگی نیز افزایش یافت و همچنین با افزایش طول بال و جان آبشکن L شکل، عمق و حجم چاله آبشستگی افزایش می یابد. مسجدي و همکاران - 2010 - ، آزمایشاتی بر روي سري هندسی آبشکنT شکل بر روي آبشستگی اطراف آن در دو موقعیت از قوس180 درجه 60 - درجه و 45 درجه - انجام دادند، که نتایج این تحقیق به این شرح می باشد:-1آبشستگی در زاویه 60 درجه بیشتر از زاویه 45 درجه میباشد. -2هر چه دبی افزایش یابد مقدار آبشستگی بیشتر میشود.
.3 تئوري تحقیق
قوس رودخانه به خاطر داشتن الگوي خاص جریان، همواره مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده است. با ورود جریان به قوس نیروي گریز از مرکز بر آن اثر میکند و باعث تغییر الگوي جریان میشود. در میان رودخانههاي کشور رودخانه کارون رودخانهاي است که داراي مئاندرهاي زیاد در طول خود میباشد. که این قوسها عمدتاً از نوع 180 درجه - ملایم - میباشند. شکل - - 1 نمونهاي از قوسهاي رودخانه را نمایش میدهد.در یک قوس رودخانه عوامل موثر بر الگوي جریان میتوانند بصورت پارامترهاي زیر معرفی شوند: زاویه مرکزي قوس، نسبت شعاع انحناء مرکزي به عرض مقطع جریان - - Rc/B، نسبت عمق به عرض مقطع جریان - D/B - ، این پارامتر به Aspect Ratio معروف میباشد، زبري بستر کانال ودیوارههاي جانبی، شرایط جریان ورودي.
اثر اپیها بر الگوي جریان: عامل برخورد آب به آبشکن، طبق یک فرآیند پیچیده همانطور که در شکل - - 2 نشان داده شده، تبدیل به گرداب نعل اسبی - Vortex Horseshoe - میگردد و در اثر جدایی آب از آبشکن، گرداب برخاستگی - - Wake Vortex تشکیل میشود. هنگام برخوردآب به دماغه آبشکن، به دلیل توزیع سرعت در عمق رودخانه، آب به سمت بستر منحرف میشود. سرعت جریان پس از برخورد به آبشکن تبدیل به فشار روي آن میشود. از آنجا که سرعت از سطح به طرف کف کم میشود، فشار دینامیکی هم روي پایه از بالا به پایین کم میشود و بدین ترتیب گرادیان فشار ایجاد شده باعث ایجاد جریانی به طرف کف بستر میگردد - Down Flow - ، سرعت این جریان به سمت پایین یکنواخت نمیباشد، چون گرادیان فشار نیز در عمق عوض میشود و سرعت جریان رو به پایین از سطح آب به طرف کف زیاد میشود.
جریان رو به پایین پس از برخورد به بستر به جهات مختلف پراکنده میشود و مقداري از آن صرف حفر زمین میشود.مقداري از این جریان که رو به سمت بالادست بازگشت میکند، در برخورد با جریان عمومی مجبور به حرکت در جهت جریان میشود و به آبشکن برخورد میکند، این چرخش جریان و بازگشت مجدد آن مقدمه تشکیل گرداب نعل اسبی میباشد. در جریان آشفته و در صورتی که جریان عمومی قویتر از جریان آب پس از برخورد به بستر باشد این گرداب مجالی براي بقا نداشته و به دفعات تولید و مضمحل میگردد. چرخش آب در داخل حفره جلو پایه به دو طرف پایه نیز کشیده میشود و در مجموع گردابی را ایجاد مینماید که در پلان به نعل اسب شبیه است و از آن رو به آن گرداب نعل اسبی میگویند. حفر حفره آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی آنقدر ادامه مییابد تا حجم آب داخل حفره زیاد شده و انرژي گرداب را مستهلک نماید. جریان گردابهاي در سطح تأثیر اپی سبب توسعه جریان ثانویه و ته نشینی رسوبات درشت دانه تر در کنارههاي رودخانه خواهد شد، که بتدریج باعث توسعه دیواره و تثبیت طبیعی و بیولوژیکی آن میگردد - گري و لیزر . - 1982
.4 مواد و روش ها
پارامترهاي مورد آزمایش: طول آبشکن 15سانتی متر، زوایاي قرارگیري آبشکن در قوس 30 - ، 45، 60 و - 75 درجه، دبی ورودي - 18، 20، 22و - 25 لیتر بر ثانیه، در مجموع 16 شبیه سازي انجام شد که در جدول - - 1 دسته بندي شدهاندو در ادامه مشخصات فلوم نیز در جدول - - 2 آورده شده:
