بخشی از مقاله
چکیده
هدف از ایجاد سرریز پلکانی، مستهلک کردن انرژی و جلوگیری از تخریب پایین دست سازه می باشد. در این تحقیق مدل فیزیکی سرریز پلکانی سد سیاه بیشه با استفاده از روش VOF توسط نرم افزار Flow3D شبیهسازی شد. با محاسبه خطای روش های مختلف روش RNG مناسب و برای حل معادلات از روش GMRES استفاده و خروجیهای آن نمایش داده شد.
پارامتر سرعت در جهتهای x,y,z نشان دهنده تطابق سرعت در مدل فیزیکی و حل عددی میباشد . همچنین استهلاک انرژی نیز در طول سرریز بررسی شد. ابتدا درپلههای ابتدایی سرریز کاهش انرژی وجود دارد اما بعد در اواسط انرژی بالا می رود. سپس انرژی در اثر سرریز پلکانی کاهش مییابد. پارامتر سرعت در ابتدا و انتها درطول سرریز با مقایسه دو دبی0/083و 0/146 مترمکعب برثانیه اجرا و آنالیز شد. نتایج نشان دهنده شبیهسازی قابل قبول جریان توسط مدل Flow3D می-باشد.
-1 مقدمه
سرریز پلکانی متشکل از پله هایی است که از نزدیکی تاج سرریز شروع و تا پاشنه پایین دست ادامه دارند. استفاده از سرریزهای پلکانی در سالهای اخیر به دلیل تاثیر قابل ملاحظه پلکانها بر میزان استهلاک انرژی جریان بیشتر شده است. انواع جریانهای موجود در سرریز پلکانی را میتوان به دو دسته جریان ریزشی و شبه آرام تقسیم نمود. در جریان ریزشی، جریان از روی لبه هر پله بصورت یک جریان فورانی سقوطی بر روی پله پائینی میریزد و اتلاف انرژی از طریق پراکنده شدن جریان آب در هوا، اختلاط جریان آب بر روی پله ها و احتمالاً شکلگیری پرش هیدرولیکی ناقص برروی پلهها صورت میگیرد. در رژیم شبه آرام جریان از روی سطح هر یک از پلهها سر میخورد و به صورت گردابی چرخش میکند و وارد جریان میشود.
ساده سازی یک پدیده با حذف عوامل کم اهمیت برای شبیه سازی جریان با سطح آزاد، از اولین اصول برخورد با مسائل هیدرولیک است. بعضی از عوامل فیزیکی در جریانات با شرایط خاص و در مجاری دارای هندسه ساده قابل صرف نظر می باشند. حذف عوامل کم اهمیت مدل سازی پدیده را ساده مینماید. معادلات میانگین عمقی یکی از انواع متداول معادلات هیدرودینامیک مورد استفاده در مدل سازی جریانهای با سطح آزاد می باشند.
مدلسازی ریاضی به مفهوم شبیه سازی پدیده طبیعی توسط معادلات دیفرانسیلی است که با کمی ساده سازی نسبت به پدیده اصلی دارای دقت قابل قبولی است.در بحث جریان میتوان با استفاده از مدل سازی ریاضی به بررسی جریان و پارامترهای هیدرولیکی آن پرداخت که این کار به آنالیز جریان معروف است.
بررسی یک مدل ریاضی همواره این امکان را فراهم میآورد که قبل از اتخاذ سیاست کنترلی اثرات روش را تحلیل نمایند زیرا همواره این احتمال وجود دارد که اثرات مدّ نظر متخصصان به وجود نیاید.
مقدار خطای اندازهگیری و هزینه زیاد مدلسازی فیزیکی و همچنین سرعت اعمال سناریوهای مختلف و در مدل ریاضی اهمیت مدلهای ریاضی را نشان می دهد.
بررسی سرعت جریان از جهت ، شکل جریان و شدت آشفتگیها و نیز تعیین الگوی جریان درسرریزها همواره مورد علاقه محققین مدلهای فیزیکی بوده است که در صورت استفاده از این نوع مدلسازی بررسی هریک از حالات مختلف علاوه بر تحمیل هزینههای فراوان، موجبات پدید آمدن خطاهای آزمایشگاهی را فراهم میآورد، اما در این تحقیق از دیدگاه مدل ریاضی به این موضوع پرداخته میشود. لذا هدف اصلی این تحقیق بررسی و شبیهسازی استهلاک انرژی در سرریز پلکانی سد سیاه بیشه توسط نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج آن با مدل فیزیکی میباشد.
-2 مروری بر منابع
تحقیقات مختلفی برای بررسی استهلاک انرژی و همچنین آنالیز جریان در سرریزها پلکانی انجام شده است که تعدادی از آنها در این قسمت ذکر میشود.
- چانسون، - 2001 مطالعات آزمایشگاهی زیادی پیرامون تشخیص جریان و پراکنش انرژی بر روی سرریزهای پلکانی انجام دادند و روابطی را برای تعیین نوع جریان و میزان انرژی تلف شده بر روی این نوع سرریزها ارائه دادند.
- نادری، - 1386 به مقایسه استهلاک انرژی در سرریز پلکانی با سرریز اوجی - صاف - بوسیله روش عددی1VOF پرداخت. در این مقاله برای محاسبه استهلاک انرژی در هر دو نوع سرریز پلکانی و سرریز اوجی - صاف - از نرم افزار FLUENT استفاده شد.
- رستمی، - 1387 به بهینهسازی ژئومتریک مدل سرریزهای پلکانی پرداخت. در این تحقیق با ساخت 10 مدل سرریز پلکانی، از سرریز بدون پلکان تا سرریز پلکانی با 31 پله درون فلوم آزمایشگاهی، سعی گردید تا با آنالیز نتایج به دست آمده از آزمایشات برروی مدلها، تاثیر پارامترهای مختلف مانند عدد فرود و رینولدز به افت نسبی انرژی در مدل سرریز پلکانی به دست آید.
- سلماسی، - 1389 به ارزیابی افت انرژی جریان از روی سرریزهای پلکانی با استفاده از مدل فیزیکی پرداخت. در این تحقیق، شش مدل فیزیکی از سرریزهای پلکانی با شیب 45 درجه و یک مدل از سرریز صاف - بدون پلکان - با شیب 45 درجه ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته است.
نوع تاج سرریزها از منحنی استاندارد اوجی است و پلکانها با شیب ثابت 45 درجه تا پاشنه پایین دست سرریز ادامه دارد. جهت مطالعه اثر تعداد پلهها در افت انرژی، تعداد پلهها 5، 10، 15، 20، 35، 50 عدد منظور شد . هدف از این تحقیق بررسی استهلاک انرژی جریان از روی سرریزهای پلکانی به ازای تعداد پله-های مختلف بود. نتایج این پژوهش نشان داد که به ازای انرژی ثابت بالادست، افزایش تعداد پلکانها به میزان قابل توجهی باعث افزایش استهلاک انرژی میگردد.
استهلاک انرژی نسبی برای سرریزهای پلکانی بین 53/4 تا 95/7 درصد و برای سرریز صاف بین 17/2 تا 70/8 درصد برآورد گردید. این پژوهش نشان داد که میزان استهلاک انرژی نسبی با افزایش دبی جریان کاهش مییابد. همچنین، استفاده از عمق قبل از پرش هیدرولیکی جهت تعیین افت انرژی جریان از روی سرریز، به طور غیرواقعی باعث برآورد بیشتر استهلاک انرژی میگردد
- کریمی و همکاران - به مدلسازی جریان غیر ریزشی بر روی سرریز پلکانی با استفاده از ANSYS پرداخت. سرریز پلکانی به عنوان یک سازه هیدرولیکی برای ایجاد پراکنش انرژی زیاد، هوادهی جریان و همچنین به عنوان سازهای با کاربرد زیبا سازی محیط به کار میرود.
-2 مواد و روشها
-1-2 موقعیت سد سیاه بیشه پایین
طرح سد و نیروگاه سیاه بیشه در 125 کیلومتری شمال تهران و در 10 کیلومتری شمال تونل کندوان در مسیر رودخانه چالوس در دست ساخت است. این طرح دارای دو سد بالادست و پاییندست است.
مرکز تحقیقات آب وزارت نیرو در سال 1383 ساخت مدل فیزیکی سد سیاه بیشه را در دو مدل تخلیه سد بالا و پایین در مقیاس یک پانزدهم و یک بیستم شروع کرد.
سد خاکی به ارتفاع 84 متر و حجم دریاچه 3/5 میلیون مترمکعب میباشد. سیستم تخلیه سیلاب در جناح چپ دریاچه قرار دارد و شامل کانال ورودی، سرریز، تنداب پلکانی، حوضچه آرامش، کانال رابط و تنداب پلکانی منتهی به رودخانه است. تنداب پلکانی پس از تندابی کم شیب در پایین دست سرریز اوجی قرار دارد پله اول به ارتفاع 0/34 متر و عرض سطح پله 3/20 متر و بقیه پلهها به ارتفاع 0/7 متر و عرض کف پله 2/10 متر میباشند.
سیلاب حداکثر محتمل: 203 مترمکعب بر ثانیه و ارتفاع آب روی سرریز برای سیلاب حداکثر محتمل 2/9 متر میباشد.
در تند آب آزاد افت انرژی جریان عبوری در اثر مقاومت ناشی از نیرو یا اصطکاک میباشد. با طرح پلکانی بستر تند آب، پله بعنوان زبری باعث تقویت جریان چرخشی میشود.
الگوی جریان و مکانیسم افت انرژی بر روی تند آب پلکانی نسبت به تند آبهای معمولا اختلاف اساسی دارد. تند آب پلکانی در ثابت ماندن عمق آب و سرعت در طول تند آب، استهلاک، کاهش انرژی و تاثیرگذاری در مشخصات سازه پایاب تند آب - حوضچه آرامش - بسیار موثر میباشد. تندآب پلکانی سرریز سد سیاه بیشه پائین هم عرض سرریز 30 متر و از تراز 1899.96متر شروع و به تراز1802 متر به بستر حوضچه آرامش منتهی میگردد.
طول تند آب از دو قسمت تشکیل شده است:
1: ازتراز 1899.98 تا 1831.98متر بطول افقی84.73 متر با شیب 1 به1.2
2: ازتراز 1831.98 تا 1802متر بطول افقی57.26 متر با شیب 1 به2
