بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از نرمافزار فلوئنت و روش دو فازی VOF به شبیه سازی پدیده شکست سد در یک کانال یک بعدی ایده آل با بستر خشک و مرطوب که نسبت عمق پایین دست به بالادست سد به ترتیب صفر،0/1، 0/5 میباشد پرداخته شد در مرحله بعد با جایگذاری یک مانع در انتهای کانال و اعمال شرایط مرزی مختلف در انتهای کانال و تغییر ارتفاع مانع به بررسی الگوی جریان خواهیم پرداخت. مدل آشفتگی مورد استفاده مدل K-Eانتخاب گردید و حساسیت سنجی بین سه مدل k-E صورت گرفت.
نتایج نشان میدهد که نرم افزار فلوئنت توانایی مدل کردن پروفیل سطح آب در هر سه حالت را داشته و مدل K-E Realizableاز دقت بیشتری نسبت به دو مدل دیگر برخوردار است که علت این امر میتواند حذف شدن پارامترهای تجربی و جایگزین شدن این پارامترها با مقادیر دقیق آنها باشد. همچنین پروفیلهای تنش برشی نشان میدهد که مقادیر آن با جابه جا شدن محل موج مثبت تغییر میکند و مقدار آن با گذشت زمان کمتر خواهد شد. وجود مانع در انتهای کانال باعث افزایش ارتفاع آب و افزایش عدد فرود خواهد شد. عدد فرود با گذشت زمان کاهش مییابد.
با تغییر شرایط مرزی انتهای کانال به شرط مرزی دیواره موج منفی حاصل از برخورد جریان با دیواره به وجود میآید و به سمت بالادست حرکت میکند. با افزایش ارتفاع مانع جریان در دو سمت مانع از شرایط زیر بحرانی به شرایط فوق بحرانی تبدیل شده و پدیده پرش هیدرولیکی اتفاق میافتد. پرش هیدرولیکی با گذشت زمان به پرش مستغرق تیدیل میگردد.
-1 مقدمه
به طورخلاصه میتوان جریان ناشی از شکست سد را به عنوان حرکت ناگهانی آب آزاد شده حاصل از شکست سازهای نگهدارنده آب دانست - فرد،:1993موریس،. - 2000 شکست سد باعث به وجود آمدن سیل و آسیب رسیدن به سازهای موجود در پایین دست سد خواهد شد و بنابراین پیش بینی جریان حاصل از شکست سد جز مهمترین مبانی طراحی سد، کنترل سیل وامنیت سد میباشد. به علت هزینههای بالای مدلسازی آزمایشگاهی امروزه مدلهای عددی از توجه بسیار زیادی برخوردار شده اند.کیفیت
پیش بینی جریان شکست سد به مدل عددی به کار برده شده برای این عمل بستگی دارد. جریان ناشی از شکست سد جز جریانهای غیر دائمی متغیر سریع بوده و بررسی توپوگرافی سطح آب ناشی از آن بسیار دشوار می-باشد. بینظمی در توپوگرافی سطح آب و تشکیل موج منفی در جهت بالادست نقش بسیار مهمی در تعیین عمق آب، سرعت جریان در پایین دست و رژیم جریان خواهد داشت. وجود پل، ساختمان، سنگ و... مانند یک مانع در مقابل آب عمل کرده و ممکن است باعث افزایش ارتفاع و تغییر در سطح آب گردد. وجود مانع در پایین دست کانال با بستر خشکشامل بسیاری از مواردی که آب با عمق بسیار کم نیز وجود دارد میشود.
برای نخستین بار ریتر در سال 1982 مساله شکست سد را به صورت تحلیلی در یک کانال مستطیلی با شیب کف صفر مورد بررسی قرار داد. استروک در سال 1957 با فرض وجود سیال با عمق معین حل تحلیلی خود را ارائه داد. کلیه روشهای تحلیلی ارائه شده بر اساس فشار هیدرواستاتیک و توزیع یکنواخت سرعت در عمق استوار شده است. - Tsang-Jung Chang وHong-Ming Kao در سال 2011 با استفاده از روش عددی پدیده شکست سد را با سه نسبت 0 h0/h، 0/1، 0/5 مورد بررسی قرار دادند - h عمق در بالادست و h0 عمق آب در پایین دست سد میباشد - .در سالهای أخیر روش حجم محدود به عنوان یک ابزار توانا برای بررسی پدیده شکست سد توجه محققین را به خود جلب کرده است.
Toro - و Fraccarollo ، - 1996شکست دو بعدی سد را با استفاده از روش حجم محدود مورد بررسی قرار دادند. Shige-Eda - وAkiyama، - 2002 شکست سد را در حالت وجود و عدم وجود سازه در پایین دست سد با استفاده از روش حجم محدود مورد بررسی قرار دادند. در سال Abdolmaleki 2004 با استفاده از نرم افزار فلوئنت اثر ضربهای موج حاصل از شکست سد را مورد بررسی قرار داد. در این تحیق با استفاده از مدل عددی فلوئنت به شبیه سازی جریان حاصل از شکست سد در سه حالت 0 - h0/h، 0/1، - 0/5 پرداخته شده و نتایج با نتایج تحقیق Tsang-Jung Chang - ، - 20011 مقایسه شده است. تحلیل جریان به صورت دوبعدی و ناماندگار - Unsteady - و با اسفاده از مدل عددی VOFصورت گرفته است.
-2 مواد و روشها:
مطالعه حاضر بر اساس شکست سد در یک کانال ایده آل عریض و یک بعدی صورت گرفته است - ساندر،:2001 لین و همکاران، :2003 کاتلا و همکاران، . - 2008 کانال ایده آل دارای مقطعی مستطیلی و بدون اصطکاک میباشد - شکلhup . - 1و hdown به ترتیب عمق آب در پایین دست و بالادست سد هستند.کانال دارای طولی برابر 50متر وسد دقیقاً در میانه کانال قرار دارد. عمق آب درون مخزن 1 متر میباشد. عمق آب پایین دست 0، 0/1، 0/5 متر در نظر گرفته میشود.
شکل -1 کانال ایده آل مسئله جریان شکست سد
-3 مدل عددی:
در این تحقیق از نرم افزارFluent جهت شبیه سازی میدان جریان استفاده شده است. این مدل معادلات حاکم بر میدان جریان را با استفاده از طرحهای مختلف آپویند، کوئیک و... که به وسیله کاربر تعیین میشود و با استفاده از الگوریتمهای مختلف تا رسیدن به همگرایی حل میکند. به منظور تهیه هندسه میدان از نرمافزار پیشپردازنده گمبیت1 استفاده میشود. در این پژوهش از نسخه - 2-2-3 - گمبیت استفاده شده است.
-4 قوانین و معادلات حاکم بر میدان جریان:
قوانین حاکم عبارتند از قانون بقای جرم و بقای مومنتم که در حالت جریان آشفته و با میانگین گرفتن در زمان، معادلات پیوستگی - - 1 و رینولدز - 2 - از آنها استخراج میشود - دیلی، . - 1973
که در آن ui مولفه سرعت در جهت xi، p فشار، ρ چگالی، μ لزجت دینامیکی و جملات −ρuiuj به عنوان تنشهای
رینولدز شناخته میشوند.
در تعیین سطح آزاد از یک تابع متغیر به نام F جز حجم - Volume Fraction - سیال به شکل زیر - در حالت دو بعدی استفاده میشود.
در حل معادله در سلولی که پر از سیال میباشد مقدار F برابر 1 است و در سلول خالی از سیال این مقدار برابر صفر است. در سلول مشخص کننده سطح آزاد مقدار بین 0 و 1 خواهد بود. در حل معادلات حاکم به منظور تعیین سطح سیال در سلول نیمه پر، بر اساس مقدار F بدست آمده در آن سلول مشخصات محاسبه شده در معادلات جایگزین می-گردد.
مدل آشفتگی:
در حل آشفتگی میدان جریان از معادلات K-Eاستفاده شده است، که سه مدل معادلات K-E با هم مقایسه شده اند . مدل K-Eاستاندارد.
مدل K-Eحالت . - RNG -
مدل K-E محسوس - قابل درک - .
کلیه مدلهای K-E دارای شکل و شمایل یکسانی میباشند اما تفاوت اساسی در این مدل ها در تعیین اعداد آشفتگی پرانتل که بر معادلات K و E حاکم میباشد و روش محاسبه لزجت گردابهای - - μ و نیز ترمهای چشمه و چاه در معادله است.
