بخشی از مقاله
چکیده
در کار حاضر به بررسی عددی جریان از سرریزهای سه، پنج و هفت لبه با استفاده از نرمافزار فلوئنت پرداخته شده است. هندسهها با استفاده از مرجع آزمایشگاهی ترسیم و در نرمافزار گمبیت شبکهبندی گردیده است. نتایج با مرجع آزمایشگاهی مقایسه شده و نشان داده شده که نرمافزار فلوئنت توانمند در شبیهسازی این جریانها میباشند.
پس از اعتباربخشی به روش عددی مورد استفاده به بررسی جریان در ارتفاعات مختلف و قطرهای مختلف پرداخته شده است. نتایج حاصل نشاندهندهی کاهش ضریب تخلیه با افزایش قطرسرریزاست و همچنین با افزایش ارتفاع سیال مربوطه نیز ضریب تخلیه کاهش خواهد داشت. از طرف دیگر سرریزهای سه لبه ضریب تخلیه بیشتری نسبت به سرریزهای پنج و هفت لبه دارند.
مقدمه
در سالهای اخیر در ارتباط با سرریزها مطالعات گسترده ای صورت گرفته است چراکه وسیله ای بسیار کاربردی بخصوص در صنایع سدسازی میباشد. از جمله سرریزهای مورد استفاده که مورد توجه محقیق میباشد سرریز نیلوفری است که در این بخش به مروری بر کارهای انجام شده بر روی این نمونه از سرریزها پرداخته شده است.
موسوی جهرمی و همکارانش [1] با کمک و استفاده از نرمافزار ANSYS و استفاده از روش اجزاء محدود جریان روی سرریز پلکانی را مدل نمودند و بیان داشتند که نتایج به دست آمده از روش عددی با نتایج آزمایشگاهی جهت استهلاک انرژی تنها 6 درصد اختلاف دارند.
سمانی و همکاران [2] از یک روش جدید که دارای مبنای هیدرولیکی است برای تعیین رابطه بین دبی اشل جریان مرکب از بالای سرریز و زیر دریچه در شرایط نیمه مستغرق وکاملاً مستغرق استفاده کردند. روش کار بر اساس اصول هیدرولیکی سادهای است و مدلها بهخوبی با دادههای آزمایشگاهی مطابقت دارند.
باقری و همکاران [3] تأثیر چندوجهی کردن سرریز نیلوفری را بررسی نمودند. نتایج آنها نشان داد که چندوجهی کردن سرریز نیلوفری باعث افزایش دبی گذرا از میان سرریز و همچنین افزایش ضریب دبی میگردد و بیشترین افزایش مربوط به سه وجهی کردن تاج سرریز است.
منصوری و همکاران [4] نیز جریان روی سرریز پلکانی با پلههایتوأماً آستانه دار و شیبدار را به کمک نرمافزار فلوئنت و با استفاده از روش حجم محدود و مدل آشفتگی k- شبیهسازی نموده و افت انرژی حاصل از نتایج عددی را با افت انرژی به دست آمده از آزمایشها مقایسه نمودند که بیانگر اختلاف قابلقبولی با یکدیگر بودهاند.
آلتین- ساکاریا و کوک پینار [5] مطالعاتی را بر روی مدل ترکیبی سرریز- دریچه مستطیلی انجام دادند و با استفاده از روش بهینهسازی رابطهای برای محاسبه دبی عبوری از سازه ترکیبی پیشنهاد نمودند.
جلیل و سرهان [6] به بررسی ضریب جریان در مدل ترکیبی سرریز- دریچه در حالت قرارگیری مورب در کانال پرداختند. آنها نتیجه گرفتند با کاهش زاویه قرارگیری، ضریب دبی کاهش مییابد، اما به علت افزایش طول سازه، مقدار دبی عبوری افزایش مییابد. آنها همچنین یک رابطه خطی چند متغیره برای محاسبه ضریب دبی ارائه نمودند.
موسوی و همکاران [7] روی سرریز نیلوفری با دهانه مربعی شکل و اثر تیغههای گردابشکن آزمایشهایی را انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که افزایش تعداد گردابشکن ها در هر دو دهانه مربعی و دایرهای باعث افزایش آستانه استغراق میشود و همچنین استغراق برای بار آبی بالا در ورودی سرریز اتفاق میافتد
عبید و حمد [8] با بررسی ضریب دبی در سازه ترکیبی سرریز زاویهدار و دریچه مستطیلی، نتیجه گرفتند زاویه سرریز تأثیر معنیداری روی دبی سازه ترکیبی دارد. آنها یک رابطه غیرخطی چندمتغیره برای محاسبه دبی ارائه نمودند.
فاتور و بچیگا [9] به این نتیجه رسیدند که در سرریزهای نیلوفری درصورتیکه سرریز مستغرق باشد، مقدار دبی 1/34 برابر دبی جریان در حالت آزاد است و در صورت عدم هوادهی تونل در سرریز جریان متلاطم و ناپایداری رخ میدهد.
در مطالعات صورت گرفته مشاهده میشود که در تمامی کارها یا بهصورت آزمایشگاهی مطالعاتی صورت گرفته و یا بهصورت عددی با استفاده از نرمافزارهایی غیر از نرمافزار فلوئنت صورت گرفته است. لذا در کار حاضر با توجه به خلأ موجود به بررسی این نوع از سرریزها با استفاده از نرمافزار فلوئنت پرداخته میشود.
مواد و روش ها
میدان محاسباتی استفاده شده در بررسی حاضر بهصورت شکل - 1 - است. برای کاهش حجم محاسبات از نصف هندسه استفاده شده است و مطابق با شکل از شرط تقارن بهره گرفته شده است. بعلاوه برای ورودی آب و هوا از شرط مرزی ورودی سرعت ، برای خروجی میدان محاسباتی از شرط مرزی خروجی فشار و هندسه سرریز و کف میدان محاسباتی با شرط دیوار تعیین شده اند.
این هندسه از میدانی با طول، عرض و ارتفاع به ترتیب 187، 100 و 53 سانتیمتر بوده است. سرریز مورد بررسی در فاصله 70 سانتیمتری از خروجی میدان واقع شده است. برای سرریز از سه قطر مختلف از قبیل 14، 17 و 20 سانتیمتر مطابق با مرجع [3] استفاده شده است. میزان آبخور میدان محاسباتی در حالات مختلف با ارتفاعات مختلف از قبیل 2 تا 14 سانتیمتر مورد بررسی قرار گرفته است. دنباله سرریز که در زیر میدان محاسباتی واقع شده است تا قسمت خروجی میدان حل ادامه داشته و جهت به دست آوردن ضریب تخلیه آب در هندسههای مختلف در آن لوله میزان جریان حجمی محاسبه شده است.
شکل .1 هندسه ترسیم شده در نرمافزار گمبیت
شکل - 2 - نشانگر شبکهبندی مورد نظر که در نرمافزار گمبیت ترسیم شده است، میباشد. مشاهده میشود که بهمنظور شبکهبندی میدان محاسباتی از بلاکهای مختلف استفاده شده است.
شکل .2 شبکهبندی وارد شده به نرمافزار فلوئنت
همانگونه که در بالا ارائه گردید برای ارتفاعات مختلف آب و فاصله آن تا لبه سرریز بررسیها انجام شده است. بهمنظور پیشبینی این رفتار در نرمافزار فلوئنت نیز با توجه به دوفازی بودن مسئله از روش VOF استفاده شده است. در محل قرارگیری - میدان پوشیده شده با آب - آب از گزینه PATCH بهره گرفته شده است و دو منطقه آب و هوا مطابق با شکل از هم جدا شدهاند. ارتفاع آب از کف مخزن نیز با در نظر گرفتن فاصله سطح آزاد آب از سرریز تعیین گردیده است. نمونه قسمت جدا شده در شکل - 3 - برای ارتفاعات 2، 8 و 14 سانتیمتر آمده است.
