بخشی از مقاله
خلاصه
شکست سد همواره به عنوان یک حادثه با مخاطرات فوق العاده تلقی شده و مطالعه آن در تحقیقات دانشگاهی، برنامه ریزی دولت و سرمایه گذاری در پایاب سدها اهمیت بسزایی دارد. در این مقاله شکست سد و انتشار موج ناشی از آن با استفاده از روش عددی حجم محدود به صورت دو بعدی قائم شبیه سازی شده و نتایج حاصل از مدلسازی عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مدلسازی شکست سد در دو حالت بستر خشک و بستر مرطوب و برای اندازه های مختلف شبکه بندی، مدل های مختلف آشفتگی k- standard ، k- RNG، k-Realizable، RSM و k- طرح های پیشرو مرتبه اول، پیشرو مرتبه دوم، Quick و power Law و شیب های بستر 0 و 1% و 2% و زبری های مختلف بستر با ضرایب 0/009، 0/015، 0/0185، 0/0198 انجام شده است و نتایج مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که مدل عددی مورد استفاده توانایی شبیه سازی شکست سد را در دو حالت بستر خشک و بستر مرطوب داشته و نتایج قابل قبولی را ارائه می نماید.
.1مقدمه
بررسی پدیده شکست سد و آمادگی در مقابل عواقب احتمالی آن، هر روز بیش از پیش اهمیت می یابد. شکست سدها تبعات مخرب زیادی به دنبال دارد. علاوه بر خطرات جانی که ساکنین نواحی پایین دست سد را تهدید می کند، سیلاب ناشی از شکست سد خسارات اقتصادی شدیدی را بر تأسیسات و ابنیه موجود در مسیر حرکت خود تحمیل می کند. بیش از یک قرن است که دانشمندان پدیده شکست سد را با جدیت دنبال می کنند. مدل های عددی تحلیل سیلاب ناشی از شکست سد با استفاده از معادلات آب کم عمق و غالبا به صورت یک بعدی توسعه می یابند.
به جرأت می توان گفت مطالعات اولیه در این زمینه در سال 1892 برای کانال های بدون اصطکاک توسط ریتر انجام گرفته است.[1] پس از وی دستاوردهای درسلردر سال 1952 برای کانال های زبر[2] و نیز معادلات استوکراز اهمیت بسزایی برخوردار هستند.[3] در دهه اخیر پیشرفت های چشم گیری در زمینه مدلسازی عددی پدیده شکست سد صورت گرفته است.
Eaket و همکاران در سال 2005 به صورت آزمایشگاهی پروفیل های سه بعدی سطح آب و سرعت های جریان وابسته به رخداد شکست سد مدل مقیاسی را با استفاده از سیستم برجسته بینی ویدئویی برای اندازه گیری جریان غیر ماندگار به دست آوردندJun qiang . [ 4] و همکاران در سال 2009 مدل مورفودینامیکی دو بعدی برای پیش بینی جریان شکست سد بر روی بستر متحرک توسعه دادند.
در این مدل معادلات معمول دو بعدی آب کم عمق اصلاح شدند، بنابراین تأثیر غلظت رسوب و تغیر شکل بستر در انتشار موج سیلاب را ملاحظه نمودندHong-ming Kao .[5] و همکاران در سال 2010 یک مدل عددی بدون مش برای بررسی جریان های آب کم عمق شکست سد در کانال های روباز به صورت یک بعدی پیشنهاد کردند.
این مدل عددی معادلات آب کم عمق را - SWE - 1 بر پایه هیدرودینامیک ذرات صاف شده - SPH - 2 حل می کندYang .[6] و همکاران در سال 2011 جریان شکست سد را با مخازن متوالی در یک فلوم شیشه ای با شیب کف تند به صورت آزمایشگاهی بررسی کردند و نتایج آزمایشگاهی حاصل نشان داد که نسبت عمق آب اولیه پایین دست مخزن نسبت به بالادست مخزن تأثیر بالایی بر روی عمق آب پیک سیلاب در ناحیه پایین دست مخزن دارد.
به علاوه مقایسه بین مخزن منفرد و مخازن متوالی اختلافاتی را در الگوی جریان شکست سد نشان داد[7] در این مقاله سعی شده است تا به کمک نرم افزار فلوئنت و استفاده از روش های عددی و حل معادلات ناویر- استوکس به شبیه سازی موج مثبت حاصل از شکست سد پرداخته شود. نرم افزار فلوئنت، نرم افزاری بسیار قدرتمند است که کارائی وسیعی در زمینه های مختلف علوم دارد.
-2 معادلات حاکم و روش حل آنها
معادلات حاکم بر جربانهای غیر دائمی سیالات از جمله پدیده شکست سد، در اصل همان معادلات Navier - Stokes هستند که بر اساس قانون بقاء ماده - معادله پیوستگی - و مومنتوم - قانون دوم نیوتن - با متغیرهای شناخته شده که تراز سطح آب از سطح مبنای فرضی و اجزاء سرعت می باشند، پایه گذاری می شوند.این معادلات برای حالت دو بعدی قائم و برای سیال تراکم ناپذیر به صورت زیر تعریف می شوند: رابطه - 1 - فرم معادله پیوستگی می باشد. قابل ذکر است که u مؤلفه سرعت در جهت x و w مؤلفه سرعت در جهت z می باشند. در ادامه به معادله مومنتوم معادلات ناویر استوکس اشاره می شود.
در سمت راست تساوی، جملات مشابه - و - در معادله فوق - - - و - - - به عنوان تنش های رینولدز شناخته میشوند که به شکل تنش های برشی لزج می باشند. این جملات اضافی از متوسط گیری زمانی برای جریان آشفته بدست آمده اند و برای جریان ورقه ای صفر می باشند. در ضمن جزء سرعت متوسط و جزء سرعت نوسانی می باشند و همین مطلب برای و نیز صادق می باشد.
معادله - - 2 معادله مومنتوم برای جریان در جهت x می باشد و معادله مومنتوم برای جریان در جهت z نیز به صورت زیر می باشد: در این مقاله از روش حجم سیال - VOF - 1 استفاده شده است، روش VOF یک تکنیک محاسبه سطح کاربردی برای مش اولرین ثابت می باشد که در آن انواع معادلات انتقال برای تعیین کردن نسبت حجمی دو فاز در هر سلول محاسباتی استفاده می شود.
-3 مدلسازی در نرم افزار
به منظور بررسی موج شکل گرفته ناشی از شکست سد از کانال آزمایشگاهی مستطیلی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی اصفهان استفاده شده است. کانال شیشه ای ساخته شده در آزمایشگاه 4 متر طول دارد.عرض مقطع آن 0/3 متر و ارتفاع آن 0/ 3متر می باشد. برای مدل کردن پدیده شکست سد در کانال دریچه ای از جنس پلکسی گلاس با ضخامت 20میلی متر در فاصله 50 سانتی متری از بالا دست کانال تعبیه شده است که کانال را به دو بخش مخزن و کانال پایین دست تقسیم می کند.
اتصال بین مخازن بالادست و پایین دست کانال از طریق لوله ای مجهز به شیر کنترل و پمپ صورت می گیرد. در این سیستم آب توسط پمپ و از طریق لوله از مخازن پایین دست به مخازن بالادست منتقل شده و در پشت دریچه سد کننده مسیر کانال ذخیره می شود. به منظور شبیه سازی شکست ناگهانی سد لازم است دریچه در زمانی کمتر از 0/1 ثانیه باز شود. برای نیل به این هدف، از دو جک پنوماتیک استفاده شده است که در قسمت فوقانی به دریچه متصل می شوند. با استفاده از یک کمپرسور، فشار هوای لازم جک ها برای باز کردن و بستن دریچه تأمین می شود.
دریچه نصب شده در مسیر کانال در شکل - 2 - نشان داده است. برای آب بندی دریچه در ضخامت 20 میلی متری آن، شیاری ایجاد شده است که با استفاده از لاستیک پر شده و فاصله این دریچه و جداره کانال را پر می کند. البته وجود این لاستیک باعث کندی حرکت دریچه در کانال می شود که این مشکل نیز با استفاده از مواد روان کننده برطرف گردید.[9]
