بخشی از مقاله
خلاصه:
سرریزهای پلکانی به علت اقتصادی بودن و سهولت ساخت آنها بخصوص در سازه های بتن غلطکی - RCC - و به عنوان مستهلک کننده قوی انرژی حتی نسبت به دیگر مستهلک کننده های انرژی، مورد توجه بیشتری قرار گرفته اند. استهلاک انرژی یکی از خصوصیات بارز سرریزهای پلکانی می باشد که در کاهش اندازه حوضچه های آرامش پائین دست مؤثر است. استهلاک انرژی جریان از روی چنین سازه ای به علت وجود زبری کف و بوجود آمدن جریانهای چرخشی، زیاد بوده و لذا هزینه های ساخت حوضچه های آرامش، کاهش می یابد. شبیه سازی هیدرولیکی جریان عبوری از روی سرریزهای پلکانی و محاسبه استهلاک انرژی از اهداف این پژوهش می باشد.
به همین منظور با کالیبراسیون مدل سد ژاوه در محیط FLOW 3D، 5 هندسه از سرریزهای پلکانی با شیب معکوس طراحی و مورد شبیه سازی قرار گرفت. به کمک مقادیر بدست آمده از مدل عددی برای عمق جریان، میزان استهلاک انرژی مشخص گشته و با مقادیر استهلاک انرژی طراحی سرریز مقایسه گردیده، نتایج نشان دهنده ی اختلاف قابل قبول بین اعداد بدست آمده از مدل عددی و روش آزمایشگاهی بوده و FLOW 3D را به عنوان جایگزین مناسبی برای روشهای آزمایشگاهی در طراحی سرریزهای پلکانی معرفی می نماید. همچنین نشان می دهد در سرریزهای پلکانی با شیب معکوس، استهلاک انرژی افزایش می یابد.
.1 مقدمه:
نیاز روزافزون انسان به آب از یک طرف و عدم توزیع زمانی و مکانی از طرف دیگر ضرورت ذخیره سازی آن را دورههای پر آب و انتقال آن به مناطق کم آب را بیش از پیش محرز میسازد در این راستا سازههای مختلف آبی وظیفه اصلی ذخیرهسازی و انتقال آب را عهدهدار میباشند. یکی از مشکلات موجود در مراحل ذخیرهسازی و انتقال آب افزایش انرژی جنبشی است که با استفاده از مستهلک کنندههای انرژی میتوان آن را کاهش داد و از خطرات احتمالی آن جلوگیری نمود. با تغییرات دبی سه نوع رژیم جریان در سرریز های پلکانی دیده می شوند. رژیم جریان تیغه ای در دبی های پایین، با افزایش دبی رژیم جریان تبدیلی و با افزایش بیشتر دبی رژیم جریان رویه ای مشاهده می گردند.
سورنسن - 1985 - از جمله افرادی بوده است که تحقیقاتی را در زمینه ی هیدرولیک سرریز های پلکانی انجام داده است. چانسون - 2001 - و همچنین چمنی و راجاراتنام - - 1994، تحقیقات زیادی را بر روی رژیم جریان تیغه ای انجام داده و روابطی را نیز جهت تعیین میزان افت انرژی در این نوع از رژیم جریان ارائه نمودند. در تحقیقات انجام گرفته به روش های عددی از جمله ی اولین محققانی که از معادله ی لاپلاس و حل آن از روش تفاضل محدود جهت آنالیز نمودن جریان بر روی سرریز های اوجی استفاده نمود کاسیدی - - 1965 بوده است که با استفاده از تئوری جریان پتانسیل، موقعیت سطح آزاد آب و فشار روی تاج سرریز را بدست آورد.
موسوی جهرمی و همکاران - 2008 - با کمک ANSYS وروش المان محدود جریان روی سرریز پلکانی را مدل نموده و بیان داشتند که نتایج بدست آمده از روش عددی با نتایج آزمایشگاهی جهت استهلاک انرژی تنها 6 درصد اختلاف دارند. ورجاوند و همکاران - 2008 - با استفاده از فلوئنت به روش حجم محدود و استفاده از مدل آشفتگی K-، جریان روی سرریزهای پلکانی را شبیه سازی نمودند. نتایج آنها نشان داد افت انرژی بدست آمده از روش عددی تطابق مناسب با نتایج آزمایشگاهی دارد.
چافی و هازاب - 2010 - در یک تحقیق به روش آزمایشگاهی دریافتند که در جریان غیر ریزشی میزان استهلاک انرژی به شیب سرریز و دبی جریان ورودی بستگی دارد. نادری راد - 2014 - با تحقیق بر روی مدل عددی نشان داد که در شیب ثابت سرریز، شیبدار نمودن کف پلکانهای سرریز پلکانیی تأثیر بسزایی در افزایش استهلاک انرژی دارد. شیبدار نمودن کف پلکانهای سرریز پلکانی موقعیت مناسبتری را برای نقطه شروع هواگیری ایجاد می نماید. خلف و همکاران - 2014 - با آزمایش بر روی سرریزهای پلکانی نشان دادند که با افزایش دبی میزان استهلاک انرژی کاهش می یابد.
در این تحقیق از FLOW 3D و مدل آشفتگی - - RNG k- برای شبیه سازی جریان روی سرریزهای پلکانی با شیب معکوس استفاده گردیده است و به کمک روش عددی، عمق در مقاطع مورد نیاز مشخص گردیده و میزان استهلاک انرژی در سرریز محاسبه گردیده است.
.2 معادلات حاکم بر جریان:
در سیال تراکم ناپذیر معادلات پیوستگی و مومنتم به صورت زیر می باشند:
که در این روابط ρ چگالی - .kg - ، μ لزجت دینامیک - . - kg.m، لزجت تلاطم، t زمان، مؤلفه مختصات، مؤلفه سرعت - . - m، p فشار - - Pa، فشار اصلاح شده می باشد.
از رابطه فوق بدست می آید و k انرژی جنبشی اغتشاشی - - می باشد.
در این تحقیق از مدل آشفتگی - - RNG k- بهره گرفته شده است. مدلهای دارای معادله تنش بر پایه گروههای نرمال شده رینولدز - RNG - استوار است. این رویکرد شامل روشهای آماری برای استحصال معادلات متوسط گیری شده برای کمیتهای آشفتگی نظیر انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ اتلاف آن است.
مدل RNG k- از همان روابط موجود در مدل k استفاده میکند با این تفاوت که ضرایب ثابت موجود در مدل
k ، که به روش تجربی استخراج میشدند، در مدل RNG k- بصورت صریح محاسبه میشوند.
.3 مشخصات سرریز مورد استفاده:
در این تحقیق نتایج بدست امده از روش عددی با الگوی طراحی سرریز پلکانی اجرا شده در سد ژاوه مقایسه می گردد. سرریز پلکانی مورد استفاده دارای کنترل اوجی شکل است. این سرریز از تعداد 64 پله بدون شیب با ابعاد 1 متر طول و 1/2 متر ارتفاع ساخته شده است. سرریز پلکانی مذکور بر اساس دبی 1044 متر مکعب در ثانیه طراحی گردیده است. در شکل - 1 - نمای عمومی سرریز سد ژاوه و در اشکال - 2 - و - 3 - مدل فیزیکی سرریز سد ژاوه ساخته شده در آزمایشگاه مؤسسه تحقیقات آب تهران نشان داده شده است.
شکل -1 نمای عمومی سرریز سد ژاوه
