بخشی از مقاله
چکیده
به منظور انتقال آب از بالادست سد به پایین دست سد از سازه های هیدرولیکی ای به نام آبگیر استفاده می شودمعمولاً. جهت تأمین انرژی برق آبی از آبگیرهای مستغرق استفاده می شود. این آبگیرها در تراز بالاتری نسبت به تراز کف مخزن ساخته می شوند. پدیده مهمی معمولاً در آبگیری از سدها رخ می دهد و باعث بروز مشکلاتی برای آبگیر و اجزای تشکیل دهنده ی آن می گردد.
این پدیده چرخش آب، ایجاد جریان های گردابی - چرخشی - در دهانه آبگیر و ورود هوا به داخل مجرای آن می باشد . در این تحقیق شبیه سازی یک مدل آزمایشگاهی توسط نرم افزار Fluent انجام شده است. این مطالعه آزمایشگاهی به ایجاد تشکیل گرداب در بالای دهانه آبگیر پرداخته است. به منظور حل معادلات آشفتگی جریان در این نرم افزار از مدل آشفتگی k ، RNG استفاده شده است.
.1 مقدمه
پدیده مهمی معمولاً در آبگیری از سدها رخ می دهد و باعث بروز مشکلاتی برای آبگیر می گردد. این پدیده چرخش آب، ایجاد جریان های گردابی - چرخشی - در دهانه آبگیر و ورود هوا به داخل مجرای آن می باشد. از میان انواع آبگیرهای در معرض پدیده گرداب، آبگیرهای نیروگاهی از اهمیت ویژه ای برخوردارنداین. آبگیرها به منظور تأمین آب مورد نیاز برای توربین ها و نهایتاً تولید برق به کار می روندهمچنین.
آبگیرهای نیروگاهی عمدتاً از نوع افقی می باشند .[7] با توجه به اهمیت پدیده گرداب و مشکلات متعاقب آن سال هاست که مکانیزم پیچیده و عوامل مؤثر بر وقوع آن در دهانه آبگیرها، موضوع مورد نظر محققین بوده است .[6] امروزه روشهای عددی به عنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسایل مهندسی به کار میروند. علم دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک ابزار توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال در سیستم های با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده، برای محققان و مهندسان درآمده است
تشکیل گرداب در دهانه آبگیرها به چهار پارامتر زیر بستگی دارد :
-1 شرایط جریان ورودی به آبگیر - هندسه مخزن - ، -2 ابعاد و هندسه آبگیر، -3 عمق آب موجود بر روی دهانه آبگیر، -4 سرعت جریان در دهانه آبگیر یا مقدار بده جریان.
تمامی عوامل فوق نهایتاً منجر به تشکیل جریان های چرخشی، افزایش چرخندگی در میدان جریان و گردندگی در دهانه آبگیر و تشکیل گرداب بر روی آبگیر می گردند. این مکانیزم توسط اکثر محققین، تحت عنوان »تقویت گردندگی محیطی در دهانه آبگیر« معرفی شده است
.2 معادلات حاکم بر جریان سیال
معادلات حاکم بر جریان سیال در حقیقت شکل ریاضی اصول بقا، جرم و اندازه حرکت هستند و به معادلات ناویر- استوکس معروف میباشند . در موارد عملی اکثر جریانهایی که در هیدرولیک بررسی میشوند، از نوع جریان آشفته میباشند. شکل ابقایی معادلات حاکم بر حرکت جریان در این شرایط به صورت زیر میباشد:
که ui مولفه سرعت در جهت xi ، P فشار کل، ρ چگالی سیال، gi شتاب ثقل در جهت xi و ij تانسور تنش میباشد. به منظور حل میدان جریان آشفته براساس معادلات پیوستگی و رینولدز، نیاز است تا تنشهای رینولدز در معادلات به روشی خاص مدل شوند. در این صورت در حالت جریان سه بعدی با وجود چهار معادله - یک پیوستگی و سه ممنتوم - ، چهار مجهول میدان جریان - یعنی سرعتها در جهت x، جهتy، جهت z و فشار - معین میشوند
.3 شبیه سازی با استفاده از نرم افزار FLUENT
امروزه روشهای عددی به عنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسایل مهندسی بهکار میرود. علم دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک ابزار توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال در سیستم های با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده برای محققان و مهندسان درآمده و در دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. در بین نرم افزارهای تجاری موجود، از نرم افزار فلوئنت که بر اساس روش حجم محدود تهیه شده است، استقبال زیادی به عمل آمده است. در شبیه سازی جریان های آشفته باید مدل سازی آشفتگی صورت گیرد
.4 شرح روند کار
در این تحقیق آبگیر نیروگاه های سد شهید عباسپور - کارون - 1 با استفاده از یک مدل هیدرولیکی شبیه سازی شده است .[1] همچنین شرایط تشکیل گرداب بر روی دهانه آبگیر مورد بررسی قرار گرفته است. روش کار بدین شکل است که در ابتدا آبگیر ترسیم شده است. آبگیر با مقطع مربعی شکل با طول های 14/17 سانتی متر در نرم افزار گمبیت ترسیم شده است.
طول مجرای آبگیر از ورودی تا خروجی آن برابر با 30 سانتی متر در نظر گرفته شده است [4]ابتدا. وسط وجه بالایی دهانه آبگیر در بُعد عرضی را به دست آورده شده است. سپس به اندازه 16 سانتی متر از سمت چپ و به همین اندازه از سمت راست به سمت دیواره های مخزن پیشروی شده است. در آخر هم به اندازه 24 سانتی متر به سمت پره ها پیشروی شده است .[4] سپس مخزن مدل ترسیم شده است. مخزن ترسیم شده در نرم افزار گمبیت، یک مخزن مکعب مستطیل شکل می باشد.
این مخزن به طول 103/5 سانتی متر، عرض130 سانتی مترو ارتفاع - عمق - بار اول 88 سانتی متر، بار دوم 92 سانتی متر و بار سوم 96 سانتی متر می باشد. در فاصله 96 سانتی متری از جلوی مخزن - نسبت به محور پره ها - ، تعداد 21 عدد پره با فاصله 4 سانتی متر از یکدیگر 6 - سانتی متر فاصله اولین پره تا دیواره مخزن - ترسیم شده است. این پره ها در سمت چپ مخزن با طول 15 سانتی متر، عرض - ضخامت - 2 میلی متر و ارتفاع هماهنگ با عمق مخزن 88 - سانتی متر، 92 سانتی متر و 96 سانتی متر - ترسیم شده اند. این پره ها با 3 زاویه 0 درجه، 10 درجه و 20 درجه ترسیم شده است.
در سمت راست مخزن نیز یک صفحه آب بند به عرض 45سانتی متر قرار گرفته شده است که عملاً باعث حذف 10 عدد از پره ها می گردد. به عبارت دیگر قسمتی از مخزن - سمت راست - که 10 عدد از پره ها و صفحه آب بند وجود دارند، در جریان گردابی ایجاد شده تأثیر نمی گذارد. بنابراین طول 15 سانتی متر انتهایی کل مخزن در سمت راست و به عرض 45 سانتی متر، حذف شده است.
در ضمن برای پره ها و مخزن فقط قسمت عمود بر جریان به عنوان دیوار تعریف شده است. فاصله مابین پره ها در قسمت بیرونی از مخزن، به عنوان ورودی جریان به مخزن با نام سرعت و نوع سرعت ورودی تعریف شده است. قسمت خروجی آبگیر به عنوان خروجی جریان از مخزن با نام فشار و نوع فشار خروجی تعریف شده است. سپس کل طرح را حجم بندی می کنیم و شبکه بندی می کنیم. در گام آخر در نرم افزار گمبیت خروجی مناسب گرفته شده است. در نرم افزار فلوئنت فایل خروجی باز گردیده و تحلیل ها مطابق آنچه در شکل ها مشاهده شده صورت گرفته است
این تحلیل ها بر اساس چهار سرعتی که آزمایشات بر اساس آنها انجام شده اند - V1i 1.91m / s، V1O 0.75m / s،...... - ،صورت پذیرفته است. یعنی در مجموع 9 حجم در نرم افزار گمبیت ایجاد شده است. برای هر کدام از این حجم ها، چهار سرعت ورودی و خروجی در نرم افزار فلوئنت در نظر گرفته می شود. در نتیجه 36 تحلیل برای شبکه ایجاد شده است .[4] در نرم افزار فلوئنت برای محاسباتی و فرمول بندی جریان گردابی شبیه سازی شده در دهانه آبگیر از روش تفکیک ضمنی استفاده شده است. از مدل آشفتگی k ، با زیر مدل RNG - به علت داشت پارامتر جریان چرخشی - برای مدل سازی آشفتگی بهره گرفته شده است
.5 نمونه تحلیل های گرداب توسط نرم افزار فلوئنت
شکل -3 منحنی های هم سرعت مؤلفه y برای قوی ترین گرداب. این منحنی ها از تحلیل گرداب شبیه سازی شده در نرم افزار فلوئنت برای عمق 88 سانتی متر، بده جریان 30 لیتر در ثانیه و زاویه پره ها - 20 - ، به دست آمده است
