بخشی از مقاله
چکیده
سرریزها نقش تعیین کنندهای در ایمنی سدها دارند، به گونهای که تقریبا شکست 30% سدها در نتیجه ناکافی بودن ظرفیت تخلیه سرریز آنها بوده است. هنگام طغیان سیلاب در صورت ناکافی بودن ظرفیت سرریز، آب از روی سد سراریز شده و سبب خرابی آن می گردد. این امر طراحان را به فکر ساخت سرریز هایی با ظرفیت بیشتر انداخته است. افزایش ظرفیت سرریز از طریق افزایش عرض آن همواره میسر نیست، چرا که شرایط توپوگرافی محل احداث سرریز میتواند عاملی محدود کننده در انتخاب عرض آن باشد.
در این میان یکی از راه های افزایش ظرفیت آبگذری سرریز، استفاده از سرریز های کنگره ای به واسطه افزایش طول موثر سرریز در عرض مشخص میباشد. در این تحقیق به شبیه سازی جریان بر روی سرریز کنگرهای با استفاده از نرم افزار Flow-3D پرداخته شده است. نتایج حاصل از حل عددی برای تعیین ضریب دبی سرریز با داده های آزمایشگاهی صحت سنجی شده است. نتایج نشان می دهد که تطابق خوبی بین حل عددی و داده های آزمایشگاهی وجود داشته و نرم افزار Flow-3D قابلیت مناسبی برای شبیه سازی جریان بر روی سرریزها را دارا میباشد.
.1 مقدمه
در هنگام ساخت سدها، توجه به داده های هیدرولیکی جدید ممکن است با افزایش ماکزیمم سیل و بخصوص سیلاب شهری ممکن ، همراه باشد. در سدهای قدیمی، ممکن است ظرفیت سرریز از ظرفیت بهینه و قابل قبولی برخوردار نباشد که این اتفاق در هنگام سیلاب شهرهای پایین دست موجب بروز مشکلات بیشتری خواهد شد. گاهی اوقات به منظور افزایش مقدار آب، خواستار استفاده بیشتر از انرژی تولیدی و یا هردو، ممکن است نیاز به افزایش سطح نرمال مخزن باشد. بنابراین ارزیابی یا طراحی سرریز بخصوص در سدهای با عرض محدود و ثابت از لحاظ توپوگرافی ساختگاه سد مورد نظر امری ضروری می باشد.
از آنجا که حجم جریان عبوری از سرریز تابع طول و شکل تاج سرریز می باشد. لذا تاکنون تحقیقات زیادی در خصوص تاثیر پارامترهای هیدرولیکی و هندسی بر ضریب تخلیه جریان و مقدار دبی عبوری از روی سرریزها انجام شده است.
یکی از راههای موثر بر افزایش طول سرریز در عرض معین استفاده از سرریزهایی با پلان غیرخطی نظیر مثلثی، ذوزنقه ای، دایروی و سهموی می باشد، که به آن ها سرریز های کنگره ای یا زیگزاگی گفته می شود. که معمولا بصورت یک ویا چند سیکل ساخته می شوند. در نتیجه احداث این نوع از سرریزها، حجم جریان عبوری از آنها افزایش یافته و ارتفاع آزاد کمتری در بالادست نسبت به سرریز های خطی نیاز خواهد بود. این موضوع در مواقعی که به عنوان سازه تخلیه سیلاب عمل می نمایند حائز اهمیت بوده و منجر به تسهیل عبور جریان سیلاب می گردد.
سابقه ساخت سرریز های کنگره ای به قیل از سال 1920 می رسد، لیکن تا قبل از 1968 مطالعات اندکی به منظور بررسی و شناخت رفتار هیدرولیکی این نوع سرریز ها انجام شده است. اکثر تحقیقات صورت گرفته بر روی سرریز های کنگره ای در پلان مثلثی و ذوزنقه ای شکل می باشند . اولین مطالعه برروی سرریزهای کنگرهای به وسیله تیلور در سال1968 انجام گرفت.[4] هی و تیلور در سال 1970 روشی برای محاسبه دبی و طراحی این سرریزها ارائه نمودند.
پس از سال 1980 موسسات تحقیقاتی و فنی دیگر مانند دانشگاه جورجیا و مرکز تحقیقات آب دانشگاه یوتا - UTAH - مطالعات جامع تری را انجام دادند. مطالعاتی تجربی نیز توسط لاگس و هینچلوف - 1985 - و تولیس و امانیان - 1995 - برروی این نوع سرریزها انجام شده است.
ملو و همکاران - 2002 - روش ماگالاس و لورنا - 1989 - را برای سرریز های کنگره ای قرارگرفته در یک کانال با دیواره همگرا توسعه دادند. آنان این امر را به عنوان راهی برای بهبود جهت گیری جریان ورودی به سرریز معرفی کردند.
نتایج تولیس - 2007 - نشان داد که زاویه سرریز کنگرهای با راستای اصلی جریان بر روی دبی عبوری در حالت مستغرق تاثیرگذار است و با این جال روابطی برای محاسبه دبی سرریزهای کنگرهای در حالت مستغرق ارائه داد
خوده و همکاران - 2012 - با هدف فراهم کردن اختیار بیشتر در طرح سرریزهای کنگرهای، دسته ای دیگر از منحنیهای طراحی را در محدوده وسیعتری از زاویه دیوار جانبی سرریز ارائه دادند.
تولیس و کورکستون - 2012 - حالات مختلف قرارگیری سرریز در داخل مخزن را آزمایش و مقایسه نمودند. این محققین با مشاهده عملکرد بهتر سرریزهای کنگرهای قوسی این پدیده را در نتیجه جهتگیری بهتر سیکل نسبت به جریان ورودی عنوان کردند
قدسیان - 2009 - با استفاده از آنالیز ابعادی رابطه ای را برای دبی عبوری از سرریزهای کنگرهای مثلثی ارائه داد که در ادامه کارلو و همکاران - 2012 - رابطهی ارائه شده توسط وی را برای جریان عبوری از سرریز کنگرهای مثلثی شکل با تاج لبه تیز اصلاح کردند
اژدری مقدم و همکاران - 1390 - پارامترهای تاثیرگذار بر ضریب آبگذری سرریزهای کنگرهای مثلثی و ذوزنقه ای را به روش عددی مورد بررسی قرار دادند. این محققین شبیه سازی جریان بر روی سرریزهای کنگرهای را بوسیله نرم افزار FLOW 3D و مدل آشفتگی K RNG انجام داده اند
در این تحقیق نیز با استفاده از نرم افزار Flow- 3D به شبیه سازی جریان عبوری از روی سرریز کنگره ای و مقایسه پارامترهای هیدرولیکی آن با سرریز خطی در عرض مشخص و ثابتی از کانال پرداخته شده است. نتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی Crookston - 2010 - صحت سنجی شده و محدوده خطا محاسبه گردیده است . با توجه به محدوده خطا می توان می گفت که داده ها از تطابق خوبی نسبت به هم برخوردار می باشند.
.2 معادلات حاکم معادله های اساسی حاکم بر جریان شامل پیوستگی و سه معادله مومنتم در جهت محورهای سه گانه مختصات می باشند که به معادلات ناویر استوکس معروفند که در واقع بیان کننده بقای جرم و مومنتم با بیان ریاضی هستند و در این قسمت معادلات حاکم بر اساس دیدگاه اولری توضیح داده میشوند. چنانچه جز کوچک سیال به عنوان حجم کنترل ثابت در فضای محاسباتی در نظر گرفته شود، در این صورت نیروهای وارده به آن و اصل بقای جرم در این المان بصورت معادلات مشتق جزئی نمایان می شوند.
بیان ریاضی معادلات پیوستگی و مومنتم به شکل تانسوری به صورت ذیل می باشند.:
معادله بقای مومنتم:
: ui مولفه سر عت در جهت i ، : چگالی سیال، : u لزجت مولکولی سیال ، : P مقدار فشار در هر نقطه از سیال می باشد. با استفاده از این معادلات می توان جریان آشفته را تحلیل کرد با این تفاوت که بتوان نوسانات نامنظم، لحظه ای و اتفاقی کمیت های جریان را در هر لحظه مدل نمود.
.3 مواد و روش ها
.1-3 هیدرولیک سرریز های کنگره ای با توجه به محدودیت ساخت از لحاظ شکل سرریزهای کنگرهای، اکثر سرریزهای ساخته شده به شکل ذوزنقه ای و یا مثلثی بوده که ناشی از عملکرد بهتر و اجرای ساده تر آن ها می باشد.[10] این در حالی است که در برخی موارد از سرریزهای کنگرهای با پلان تاج نیم دایره ای و مستطیلی نیز استفاده می نمایند. در شکل1 اشکال مختلف سرریزهای کنگرهای نشان داده شده است.
شکل - 1 اشکال محتلف سرریز کنگره ای : الف - مثلثی ب - ذوزنقه ای پ - مستطیلی
براساس مطالعات و آزمایشات انجام گرفته محققین به نتیجه رسیدهاند که جریان بر روی سرریزهای کنگرهای بسیار پیچیده تر از سرریزهای مستقیم بوده و نمیتوان به راحتی به تحلیل آن پرداخت. خطوط جریان در سرریزهای خطی، عمود بر تاج و با تقریب خوبی دوبعدیاند، اما در سرریز های کنگره ای خطوط جریان بصورت سه یعدی و در نتیجه تحلیل جریان دشوار می باشد.
در صورت کاربرد معادله عمومی سرریز ها برای هر قسمت از طول سرریز کنگرهای، مقدار دبی واقعی کمتر از مقدار دبی عبوری از سرریز مستقیم خواهد بود، چرا که که خطوط جریان عبوری از روی سرریز کنگرهای برخلاف سرریزهای مستقیم عمود بر تاج نبوده و مسیر طولانیتر و غیر مستقیمی را طی می کنند که کاهش ضریب آبگذری را در پی دارد. به همین دلیل در اکثر تحقیقات صورت گرفته طول تار میانی تاج سرریز LC در محاسبات آبگذری سرریزها لحاظ می گردد. در شکل 2 پارامترهای ارائه شده در معادله 1 به همراه پارامترهای موثر بر عملکرد سرریزهای کنگرهای نشان داده شده است.
