بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزها از جمله سازههای هیدرولیکی هستند که جهت کنترل جریان، تنظیم سطح آب و اندازهگیری دبی جریان بکار گرفته میشوند. افزایش دبی بیش از دبی طراحی در هنگام بهره برداری از سرریزها باعث ایجاد خسارات جبران ناپذیری میگردد. ازجمله این خسارات افزایش بیش از حد سرعت،کاهش فشار و ایجاد فشار منفی است که باعث وقوع پدیده کاویتاسیون میشود.
هدف از این مطالعه بررسی تأثیر تغییرات جریان بر احتمال پدیده کاویتاسیون با استفاده از نرم افزار فلونت میباشد. برای بررسی احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون در سرریز اوجی که الگو گرفته از سد انحرافی گرمسار است، از نرم افزار شبیه سازی فلوئنت 6,3 استفاده شد. ابتدا شبکه هندسی سرریز بصورت دوبعدی توسط نرم افزار Gambit ایجاد و به عنوان پیش پردازنده نرم افزار Fluent جهت ترسیم، شبکه بندی و مش بندی بکار گرفته شد.
سپس شبیهسازی در نرم افزار فلوئنت با استفاده از مدل آشفتگی k- و مدل چندفازی vof برای چهار دبی مختلف انجام گرفت. نتایج نشان داد در سرریز اوجی با افزایش دبی فشار مثبت افزایش و فشار منفی کاهش مییابد. همچنین مشخص شد با افزایش دبی محدوده فشار منفی افزایش و درنتیجه احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون بیشتر می-گردد.
1. مقدمه
امروزه باتوجه به پیشرفت تکنولوژی سدسازی، امکان ایجاد سدهای بلند، بر اساس نیاز، فراهم گردیده است .هر سد از تعداد زیادی سازه جانبی تشکیل شده است که یکی از مهمترین آنها سرریزها می باشند. سرریز اوجی به دلیل خصوصیات هیدرولیکی فوقالعاده و راندمان بالای تخلیه بیشترین مطالعه را از بین سازههای هیدرولیکی داشتهاست. این سرریز در صورت طراحی مناسب قابلیت عبور راندمان بالایی از جریان را دارد و این امکان را برای مهندسین فراهم میکند که در محدوده وسیعی از آن استفاده کنند1]و.[2 دبی طراحی سرریز بر اساس ماکزیمم دبی عبوری انتخاب میگردد.
گاه به علت اشتباه بودن مطالعات هیدرولوژیکی منطقه مورد نظر، دبی به هنگام بهره برداری از سرریز بیشتر از دبی طراحی میگردد. این موضوع باعث ایجاد سرعتهای زیاد و فشار منفی روی انحناء تاج سرریز میگردد. پیامد فشار منفی در سازهها ایجاد ناپایداری، لرزش و خوردگیاست. بنابراین چنانچه بدنه سرریز درست طراحی نشده باشد، در دبیهای زیاد و یا حتی دبیهای کمتر از دبی طراحی امکان ایجاد خلاء به وجود میآید که باعث ظاهر شدن پدیده کاویتاسیون میگردد.[3] کاویتاسیون فرآیندی است کهمعمولاً با خراب شدگی سطوح همراه بوده و یا با ایجاد یک صدای شدید مشخص میشود. هر دو پدیده فوق ممکن است در اثر کاویتاسیون اتفاق بیافتد ولی کاویتاسیون هیچکدام از آنها نیست.
به طور کلی کاویتاسیون به صورت رخداد شکل گیری حباب یا حفره در یک مایع تعریف می شود.[1] گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت، فشار منطقهای پائین میآید و ممکن است این فشار بهحدی پائین بیاید که برابر فشار بخار سیال درآن شرایط باشد و یا مثلا در طول سرریز یا حوضچه خلاءزایی در اثر وجود ناصافیها و یا ناهمواریهای کف سرریز خطوط جریان از بستر خود جدا شده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در منطقه جداشدگی کاهش یافته و ممکن است که به فشار بخار سیال برسد.
در این صورت بر اثر این دو عامل بلافاصله مایعی که در آن قسمت از مایع در جریان است به حالت جوشش درآمده و سیال به بخار تبدیل شده و حبابهایی از بخار بوجود میاید.[4] این حبابهای بخار پس از طی مسیر کوتاهی به منطقهای با فشار بیشتر رسیده و منفجر میشود و تولید سروصدا میکند و امواج ضربهای ایجاد کرده و به مرز بین سیال و سازه ضربه زده و پس از مدت کوتاهی روی مرز جامد ایجاد فرسایش و خوردگی میکنند.
تبدیل مجدد حبابها به مایع و فشار ناشی از انفجار آن گاهی به 1500 مگاپاسکال میرسد.[5] تکرار این عمل به مرور زمان باعث خوردگی بستر سرریز می شود و به تدریج این خوردگیها تبدیل به حفرههای بزرگ می شوند. از این رو در این تحقیق پدیده کاویتاسیون با توجه به پارامترهای تاثیرگذار از جمله سرعت و فشار مورد بررسی قرار گرفته است و با استفاده از شاخص کاویتاسیون احتمال ایجاد پدیده کاویتاسیون در محلهای مختلف بررسی می شود.
2. پیشینه تحقیق
بهمنظور مطالعه و تحلیل جریان عبوری از روی سرریز، از مدلهای ریاضی و فیزیکی استفاده می شود. از آنجائیکه تحلیل جریان عبوری به کمک مدلهای فیزیکی بسیار زمانبر و پرهزینه میباشد، استفاده از مدلهای ریاضی و حل کامپیوتری مانند استفاده از نرمافزارهای محاسباتی - 1 - CFD پیشنهاد میشود. استفاده از مدل عددی اولین بار در سال 1965 توسط کسدی در تعیین فشار روی تاج سرریز براساس جریان پتانسیل بهصورت دوبعدی صورت گرفت. نتایج حاصله از این تحلیل عددی جریان روی سرریز با نتایج آزمایشگاهی تقریبا یکسان بود.[6]
لی و همکاران از انفصال میدان جریان به روش المان محدود و حل دو بعدی میدان جریان پتانسیل نتایج دقیقتری ازانحنای سطح آب در تحلیل جریان به دست آوردند.[7] اولسن و جلسویگ جریان را روی سرریز بهصورت دوبعدی و سه بعدی برای هندسههای مختلف بهصورت عددی مدل و معادلات ناویراستوکس را با مدل آشفته k- حل کردند، آنها نشان دادند که سطح آزاد و ضریب دبی بدستآمده برای تعداد محدودی از جریانها مطابقت خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد.[8] اسی با استفاده از روش تفاضل محدود توانست جریان از روی سرریز را شبیه سازی کند.[9]
جانسون و ساویچ دو مدل فیزیکی و عددی را روی سرریز در صورت وجود پایاب مقایسه کردند، نتایج آنها نشان داد شبیه سازی پروفیل سطح آب به روش حجم سیال با نتایج آزمایشگاهی تطابق دارد.[10] مطلبیزاده و همکاران براساس معادلات ممان و میانگین عمقی و فرض تغییرات درجه دو برای توزیع قائم سرعت، فشار و تغییرات خطی برای سرعت افقی میدان جریان حاکم بر سرریز آزاد را مدل کردند. در حل معادلات حاکم از روش المان محدود و در انفصال زمانی معادلات از الگوریتم روش ضمنی استفاده کردند.
در نتایج به دست آمده از تحلیل عددی حداکثر خطای % 21 در پروفیل سطح آب و حداکثر خطای 41% در توزیع فشار وارده بر کف سرریز حاصل شده است.[11] حسین زاده و همکاران در یک کار تحقیقی، تحلیل جریان و بررسی کاویتاسیون در شوت سد گرمی چای را انجام دادند. هدف آنها از این تحقیق، تعیین پارامترهای جریان از قبیل عمق، سرعت، فشار در مسیر حرکت سرریز سد برای دبیهای مختلف بود.[12]تا به حال خسارات شدید کاویتاسیون بوسیله سرریزهای بزرگ در سراسر دنیا کشف گردیده است که شامل روسیه، پاکستان، ونزوئلا و بخصوص ایران است.
در ایران کاویتاسیون به یک قسمت بزرگ از سرریز سد کارون 1 خسارت وارد کرده است.[1] از این رو بسیاری از مطالعات و تحقیقات مربوط به کاویتاسیون روی اندازههای مختلف مدلها و نمونههای اصلی، در حال انجام شدن و کامل شدن است. در تحقیق حاضر، هدف بررسی احتمال کاویتاسیون با استفاده از شاخص کاویتاسیون2 در دبیهای مختلف با استفاده از نرمافزار فلونت میباشد.
3. مواد و روشها
.1-3 هندسه و شبکه محاسباتی
در این تحقیق یک سرریز اوجی که هندسه ی آن برگرفته از سرریز سد انحرافی گرمسار است، با استفاده از نرمافزار Fluent ، شبیه سازی شده است. ابتدا هندسه و مش بندی سرریز با استفاده از نرم افزار گمبیت که برنامهی پیش پردازندهی فلوئنت میباشد، انجام گردید. برای مشبندی شبکه موردنظر از مش چهارگوش استفاده گردید. طرح مش بندی محدودهی محاسباتی در شکل 1 نشان داده شده است.
بعد از مش بندی شرایط مرزی خطوط را با توجه به فشار و سرعت ورودی آب و هوا وارد میکنیم. در شکل2 شرایط مرزی و ورودی مدل نشان داده شده است. سپس اطلاعات شبکه ازگمبیت به فلونت منقل گردید. در نهایت پدیدهی کاویتاسیون روی سرریز اوجی در دبیهای مختلف با استفاده از مدل آشفتگی جریان دو فاز و با بکارگیری روشهای عددی مورد بررسی قرار گرفت.
.2-3 نرم افزار Fluent
نرم افزار فلوئنت یک برنامه کامپیوتری برای مدلسازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده میباشد. این نرم افزار انعطاف پذیری کاملی از شبکه را فراهم میکند و قابلیت استفاده برای مشهای منظم و نامنظم را دارا میباشد.[13] مدل فلوئنت از قابلیت های بالایی برای تحلیل عددی جریان سیال در هندسه های پیچیده برخوردار است.
این مدل مبتنی یر اصول اساسی دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - مانند بقای جرم، ممنتوم و انرژی میباشد. این نرم افزار با زبان c نوشته شده و از معادلات ناویر-استوکس در تحلیل جریان و در صورتی که جریان آشفته باشد، از معادلات تنش رینولدز در حل معادله ناویر-استوکس استفاده می کند و برای انفصال سازی این معادلات از روش حجم محدود استفاده می شود.[14]
. 3-3 معادلات حاکم
الف - پیوستگی و مومنتم
قوانین حاکم بر جریان سیال تراکم ناپذیر لزج توسط یک معادله پیوستگی و سه معادله مومنتم در جهات محورهای سهگانه مختصات که به معادله ناویر-استوکس معروف هستند، بیان می شوند. این معادلات در واقع بیانگر پایداری جرم و مومنتم به بیان ریاضی می باشند. معادلات حاکم می توانند بر دو دیدگاه لاگرانژی و اولری استوار باشند. در دیدگاه لاگرانژی حرکت یک ذره کوچک در میدان محاسباتی موردتوجه قرار میگیرد. اما معادلات موردنظر ما معادلات حاکم براساس دیدگاه اولری توضیح داده شده اند.
