بخشی از مقاله
چکیده
سرریز جانبی یکی از معمول ترین سازه های کنترل و انحراف جریان در آزمایشگاه های هیدرولیک، شبکه های آبیاری و زه کشی، کانال های انتقال آب و فاضلاب است. سرریزهاعموماً لبه تیز بوده و از نظر دقت اندازه گیری دبی و نیز تخلیه جریان، دارای محدودیت می باشند. سرریزهای مرکب، سازههای هیدرولیکی سادهای هستند که شکل تاج آنهاعموماً ترکیبی از یک دهانه مثلثی - در قسمت پایین - و یک دهانه مستطیلی - در قسمت بالا - میباشد و امتیاز هیدرولیکی سرریزهای مرکب در قابلیت اندازه گیری محدوده وسیعی از جریان های کم تا زیاد با حساسیت بالا و دقت لازم، در کانالهای آبیاری یا فلوم های آزمایشگاهی است .
در این تحقیق به بررسی ضریب آبگذری جریان در این نوع سرریز و همچنین رفتار سرریز در دبی های مختلف و ابعاد مختلف خواهیم پرداخت. نتایج ارائه شده در تحقیق حاضر در طراحی سازه های کنترل کننده و اندازه گیری کننده جریان استفاده می شود. مجموعه ای از آزمایشات به منظور بررسی تاثیر طول سرریز و ارتفاع لبه پایینی سرریز لبه تیز مرکب بر روی مقادیر ضریب دبی انجام شد. هدف های این تحقیق مدل کردن سرریز مرکب توسط برنامه 3d؛Flow و به عبارت دیگر شبیه سازی و مدل کردن این نوع سرریز به صورت عددی و به دست آوردن نتایج حاصل از آن در شرایط ابعادی و هیدرولیکی مختلف میباشند.
.1 مقدمه
سرریزهای مرکب، سازه های هیدرولیکی ساده ای هستند که شکل تاج آنها ترکیبی از یک دهانه مثلثی - در قسمت پایین - و یک دهانه ریزمستطیلی - در قسمت بالا - می باشد. امتیازات هیدرولیکی این نوع سرریز عبارتند از : - - 1 کنترل سطح آب بالا دست بخصوص در دبیهای کم؛ و - 2 - دقت اندازهگیری در دبیهای کم و ظرفیت انتقال بالا در دبیهای زیاد. بررسی جامع در خصوص جریان بر روی سرریزهای مرکب "مستطیلی-مثلثی" انجام نگرفته است. نتایج ارائه شده در تحقیق حاضر می تواند در طراحی سازه های کنترل کننده و اندازه گیری کننده جریان استفاده می شود.
مطالعات اندکی در زمینه سرریزهای لبه تیز مرکب نرمال یا قائم انجام شده است. اولین بار در سازمان احیای اراضی آمریکا در سال 1963 از یک سرریز لبه تیز مثلثی- مستطیلی برای اندازه گیری دبی جریان استفاده نمود. یاسی و عباسپور - - 2005 با بررسی جریان در سرریز لبه تیز مرکب مثلثی- مستطیلی بازاویه راس 90 درجه به این نتیجه رسیدند که با افزایش ارتفاع سطح آب روی سرریز و در مرز تماس سرریزهای مثلثی و مستطیلی، ضریب دبی به صورت متناوب افزایش و کاهش می یابد.
مارتینز و همکاران - - 2005 با بررسی آزمایشگاهی سرریز لبه تیز مرکب مثلثی- مثلثی، این نوع سرریز را برای استفاده در سدهای رسوب گیر در حوضه های کوهستانی پیشنهاد نمودند. انتخاب این نوع سرریز به دلیل پیوستگی رابطه دبی- اشل در تمامی عمق های جریان روی سرریز و نیز دقت مناسب اندازه گیری دبی در محدوده وسیعی از شرایط جریان - کم آبی تا سیلاب - است.
پیراتیپان و همکاران - 2006 نیز با بررسی آزمایشگاهی همین نوع سرریز مرکب با زوایای راس مختلف، رابطه دقیقی برای محاسبه دبی جریان سرریز مرکب مثلثی- مثلثی ارایه نمودند. جان و همکاران - 2006 - با انجام یکسری آزمایش، دبی جریان برای 4 نوع سرریز لبه تیز مرکب را اندازه گیری نموده و روابط ساده ای را ارایه نمودند. ظهیری - 2012 - به عنوان ایده ای جدید با حل عددی مدل ریاضی شبه دوبعدی شیونو و نایت، دبی عبوری از سرریزهای لبه تیز مرکب را محاسبه نمود.
با بررسی پژوهش های گذشته مشخص شد که با وجود مطالعات فراوان در زمینه سرریزهای جانبی لبه تیز ساده، سرریزهای جانبی لبه تیز مرکب که توانایی اندازه گیری دقیق دبی عبوری و خروج میزان قابل توجهی از جریان در زمان رخداد سیلاب را دارد، تاکنون مورد توجه قرار نگرفته اند. در این مقاله، ضریب تخلیه دبی در سرریزهای جانبی لبه تیز مرکب مستطیلی-مثلثی با استفاده از مدل نرم افزار 3D؛Flow مورد بررسی قرار گرفته و براساس تحلیل ابعادی، رابطه بهینه ای ارایه شده است.
-2 شبیهسازی هندسی سرریز لبه تیز مرکب "مستطیلی-مثلثی" در نرم افزار SolidWorks 2013
در این مطالعه از سرریزهای لبه تیز مرکب "مثلثی - مستطیلی" با مشخصات و هندسه مدل آزمایشگاهی برای انجام مطالعات سه بعدی شبیهسازی میدان جریان انتخاب شده است. مشخصات هندسی و شماتیک سرریزهای لبه تیز مرکب "مثلثی - مستطیلی" که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است و در حالت کلی به صورت زیر میباشد. لازم به ذکر است در این مطالعه مدلهای مختلفی با ارتفاع جریان مختلف و عرض سرریزهای مختلف مورد شبیه سازی قرار گرفته اند.
شکل -1 پارامترهای مختلف هندسی و هیدرولیکی مورد نیاز در شبیه سازی میدان جریان
شکل -2 شرایط هندسی سرریزهای لبه تیز مرکب "مستطیلی-مثلثی " مدل شماره - 1 ابعاد به متر -
شکل -3 شرایط هندسی سرریزهای لبه تیز مرکب " مستطیلی-مثلثی " مدل شماره - 2 ابعاد به متر -
شکل -4 شرایط هندسی سرریزهای لبه تیز مرکب " مستطیلی-مثلثی " مدل شماره 3 - ابعاد به متر -
به منظور معرفی هر یک از مدلهای فوق بایستی مدل ایجاد شده در فرمت مدل عددی Flow3D تبدیل گردد. با توجه به اینکه مدل عددی Flow3D فایل های Stl* را فراخوانی می کند هر یک از مدلهای ساخته شده در فرمت Stl* ذخیره میگردند.
شکل -5 خروجی مدل سه بعدی در فرمت Stl* به منظور فراخوانی در مدل عددی D3Flow
-3 شبکه بندی و هندسه سرریزهای لبه تیز مرکب " مستطیلی-مثلثی " - Meshing & Geometry - الف - شبکه بندی
برای مشخص کردن حدود شبکه بندی، بلوکهایی مشخص میشود که کلیه اندازههای سازه مورد نظر و فضای آزاد در داخل آن تعریف میشود. میتوان همه جزییات سازه مورد نظر را در یک بلوک هم در نظر گرفت. سیستم مختصات می-تواند از نوع کارتزین یا استوانهای باشد. مختصات شبکه، با استفاده از سیستم مختصات کارتزین در داخل بلوک شبکه بندی در جهات سه گانه با استفاده از یک سری نقاط ثابت - Fixed Pt - i - - تعریف می شوند. برای مشخص کردن اندازه شبکه بین هر دو نقطه ثابت میتوان تعداد سلولهای مورد نظر یا اندازه سلولها را اعمال نمود.
