بخشی از مقاله
چکیده
جریانهای چگال - غلیظ و یا دانسیته - جریانهایی هستند که به علت ورود یک سیال عموما سنگینتر به درون یک سیال سبکتر ایجاد میشوند. اختلاف دانسیته باعث بوجود آمدن جریان چگال میگردد ،که این تفاوت دانسیته میتواند به علت وجود ذرات معلق ریزدانه، املاح محلول، دما باشد. در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی به خصوصیات جریان چگال در مسیرهای منحنی شکل پرداخته شود. مقطعی از کانال محدود دارای انحنای سینوسی میباشد که طی 24 حالت مختلف با تغییر غلظت، شیب بستر، عدد فرود شبیهسازی شده است. از شش نوع مختلف مدل آشفتگی و چهار نوع مشبندی مختلف جهت رسیدن به مش و مدل آشفتگی بهینه استفاده شده و در نهایت به بررسی و مقایسه پروفیلهای کانتور سرعت، غلظت، چگالی و
... پرداخته میشود. نتایج نشان داد که بهترین مدل آشفتگی، مدل kاز نوع RNG میباشد. در ارتفاع نزدیک با بستر، هرچه غلظتها افزایش یابد، چگالی جریان چگال افزایش مییابد و سرعت جریان چگال کاهش مییابد و نیز هرچه شیب بستر کم باشد ضخامت جریان چگال افزایش مییابد و سرعت ماکزیمم آن کاهش مییابد و با افزایش عدد فرود جریان چگال، سرعت و چگالی جریان چگال در نزدیکی با بستر افزایش مییابد و در نهایت نتایج نشان داد که بهترین مدل انتخابی، مدل شماره یک میباشد.
واژههای کلیدی: جریان چگال، دینامیک سیالات محاسباتی، مدل k از نوع RNG ، مش بندی.
مقدمه
اختلاف دانسیته باعث بوجود آمدن جریان چگال می گردد جریان چگالی، حرکت پیشانی ، بدنه و دنبالهای از سیال سنگین به درون سیال سبکتر است و نیروی شناوری یا نیروی ثقل باعث ایجاد نیروی رانش میشود. حرکت جریان چگال در زیر آب صاف باعث ایجاد لایه برشی در فصل مشترک آب صاف و سیال چگال میگردد. لذا در فصل مشترک ، برش و گردابههای فراوانی بوجود آمده و همین امر باعث درون آمیختگی آب صاف و سیال چگال می گردد که درون آمیختگی میزان اختلاف چگالی را کم نموده و از نیروی شناوری میکاهد. به نظر میرسد اولین دسته از آزمایشات وسیع در خصوص پرش هیدرولیکی جریان غلیظ توسط گارسیا - 1993 - انجام شده است.
ایشان در سال 1989، به منظور بررسی پدیده پرش هیدرولیکی در جریانهای غلیظ اقدام به انجام آزمایشاتی از طریق ساخت یک مدل فیزیکی نمود. آلتیناکار و همکاران - - 1990 با بررسی های آزمایشگاهی، تاثیر یک شیب کم و رسوبگذاری ضعیف را روی رفتار رأس جریانهای غلیظ تجزیه پذیر، مورد بررسی قرار دادند. ایمران و کاسم - - 2004 به مطالعه جریان چگال در کانالهای منحنی دار محدود و نامحدود همراه با سیلاب دشت پرداخته اند و با انتخاب مدل عددی سه بعدی خصوصیات جریان از جمله سرعت و چگالی جریان چگال را مورد بررسی قرار داده اند. ایمران و کاسم - 2004 - با استفاده از یک مدل عددی 3 بعدی، توسعه جانبی جریان دانسیته در کانالهای نامحدود و محدود شده مستقیم، مورد بررسی قرار گرفته است و از مدل توربولانس k جهت شبیه سازی استفاده گردیده است.
گارسیا - 1992 - برای جریان غلیظ ماندگار که در برگیرنده رسوبات با دانه بندی ضعیف میباشد، مدلی را ارائه داد و از داده های آزمایشگاهی به منظور آزمون چندین فرض در ارتباط با توسعه مدل و اطلاعات اساسی مربوط به چنین جریانهایی و رسوبگذاری ناشی از آنها، استفاده نمود. پکال و همکاران - 2000 - تغییرات زمانی یک جریان غلیظ کدر را مورد بررسی قرارداد و یک سری زمانی در این خصوص ارائه کرد. ایمران و کاسم - 2001 - به مطالعه و شبیه سازی عددی جریان های گل آلود رسوبی غوطه ور از یک رودخانه می پردازد با در نظر گرفتن مدل آشفتگی k معادلات ناویر استوکس را حل نمود. لی و یو - 1997 - به مطالعه آزمایشگاهی در حیطه جریان های گل آلود در مخازن می پردازد .
مدل آزمایشگاهی آنها دارای ابعادی به طول 20 متر و عرض 20 سانتیمتر و ارتفاع 60 سانتیمتر تحت شیب بستر 0/02 می باشد و از ماده کائولین با وزن مخصوص 2/65 و سرعت متوسط میانگین 0/0106 - m/s - با اندازه ذرات 0/0068 mm به عنوان مواد معلق جریان استفاده شده است و به بررسی خصوصیات جریان گل آلود از جمله سرعت متوسط عمقی ، غلظت ، ضخامت و ... می پردازد. پکال و همکاران - 2012 - به ساختار تنوع جریان در کانال های سینوسی شکل که رسوبات وارد آن می شود پرداخته اند در این خصوص چند رودخانه سینوسی شکل که از شیب قابل توجهی برخوردار باشند را با هم مقایسه کردند.
پیلز و همکاران - 2012 - به پردازش جریان و ارتباط رسوبگذاری در کانالهای زیر دریایی سینوسی شکل و اثر فرسایش و رسوب بر این کانالها می پردازد و مشخص می نماید در قسمتهایی از کانال که دچار فرسایش می گردد مواد فرسایش یافته در انحنا بعدی با توجه به مورفولوژی رودخانه رسوب گذاری شکل می گیرد . استراب و همکاران - 2011 - با استفاده از فلوم آزمایشگاهی و با ورود جریان گل آلود به مطالعه و تاثیر مکانیزم جریان گل آلود در کانالهای سینوسی شکل پرداخته اند مدل آنها حوضچه ای به ابعاد 5 متر طول و 5 متر عرض با ارتفاع 1/2 متر که سیلاب دشت آن می باشد و کانال سینوسی به عرض 20 سانتیمتر و عمق 11 سانتیمتر می باشد.
استراب و موهریگ - - 2008 به تعامل بین جریان کدر و توپوگرافی کانال های سینوسی زیر دریایی با مطالعات آزمایشگاهی می پردازد که 24 جریان کدر را مورد آزمایش قرار داده اند و همه جریان ها رسوبی بودند.پکال و مک کافری - - 2000 به پردازش مدلی جهت تکامل مورفولوژی و معماری از کانال های سینوسی شکل پرداخته اند .پارکر و همکاران - 2011 - با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی و صحرایی جریان ثانویه ای حاوی از محلول نمک در یک کانال با انحنای بسیار زیاد مورد بررسی قرار می دهد که به 3 مجموعه از 3 آزمایش که هر کدام با توجه به عدد فرود در جریان چگال در یک کانال مارپیچی بحث می کند.روسکو و جکسون - 1975 - که به بررسی سرعت بستر تحت تاثیر الگویی از پیچ و خم و در پایین رودخانه وباش از ایلینویز و ایندیانا می پردازد.
پکال و همکاران - - 2007 به فرضیه انحنا ، معماری رسوب ، ونقش چسبندگی در کانال های سینوسی شکل با مطالعه آزمایشگاهی پرداخته است.ولز و کوسسو - 2011 - که به تاثیر نیروی کریولیس بر سیرکولاسیون ثانویه از جریان گرانشی در مقیاس بزرگی کانال های سینوسی تحت البحری می پردازد.چوی و گارسیا - 2002 - که به بررسی جریان چگال تحت تاثیر شیب بستر بصورت
دوبعدی با انتخاب مدل آشفتگی k می پردازد.پکال و همکاران - 2006 - به ساختار جریان در کانال های تحت البحری سینوسی پرداخته اند و با استفاده از آزمایشات ، پارامترهای سرعت وآشفتگی را در کانالهای تحت البحری مورد مطالعه قرار داده اند.کاستیک وپارکر - 2006 - ، رفتار جریان کدر در نزدیکی محل شکستگی شیب بستر را به صورت عددی شبیه سازی نمودند.
های - - 1987 جریان کدر و زیر آبی در کانال خور روپرت واقع در کلمبیا را مورد بررسی قرار می دهد که نقشی از جریان به صورت پیوسته و موج بلند - جریان سریع - نشان می دهد . اینگلاند - - 1974 در مورد توپوگرافی جریان بستر در کانالهای رسوبی دارای انحنا بحث کرده است.عمران و پارکر - 1999 - یک مدل غیر خطی از جریان در کانال های پر پیچ و خم زیر ابی وسطحی را مورد بررسی قرار می دهند.اولسن و شوگاند - 2003 - مدل سه بعدی عددی از آب و جریان رسوبی در یک محوطه کوچک ماسه گیر در نظر گرفته اند.هاوارد - - 1992 مدلی از کانال انتقال به دشت سیلاب رسوبی را در جریان های پر پیچ و خم مورد مطالعه قرار داده است.فیروزآبادی و مهدی زاده - - 2009 شبیه سازی جریان کدر گل آلود تحت مدلهای مختلف آشفتگی را مورد مطالعه قرار داده اند
-1مواد و روش ها
در این تحقیق جهت حل معادلات متوسط-رینولدزی ناویر- استوکس1 در جریان چگال از یک بسته نرم افزاری - نرم افزار فلوئنت - که مبنای آن بر پایه دینامیک سیالات محاسباتی است استفاده شده است. به وسیله این نرم افزار از روش احجام محدود2 جهت حل معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم استفاده شده است. با استفاده از این روش میدان جریان را به تعدادی حجم کنترل تقسیم شده استو معادلات دیفرانسیل حاکمی که بر روی هر حجم کنترل می باشد را با استفاده از انتگرال گیری ، بر روی هر حجم کنترل معادلات دیفرانسیلی حاکم بر آن را به یکسری معادلات جبری گسسته تبدیل کرده وسپس معادلات به فرم ساده تری حل می گردند.
جهت مدلسازی و صحت سنجی نتایج از مدل ایمران و همکاران - 2004 - استفاده شده از ماده کائولین به عنوان مواد معلق - ماده غلیظ - باوزن مخصوص 2/65 با اندازه ذرات 0/0068 میلیمتر استفاده شده است و دبی واحد جریان و غلظت رسوبات به ترتیبs cm 264/1 و 0/00667 می باشد. دانسیته آب 1000 kg m3 ، دانسیته جریان چگال و سرعت به ترتیب 1033 kg m3 ، 16/1 cm s ، عدد فرود جریان 1/22 و شیب بستر 0/00139می باشد.همچنین جریان چگال ورودی در فاصله 0/054 متر وارد کانال می شود. در این تحقیق جریان در یک کانال سینوسی شکل محدود با انحنایی به شعاع 0/684 متر با زاویه 40 درجه قرار می گیرد .در محل اتصال با انحنای کانال، طول کانال در بالادست و پایین دست جریان 1/50 متر می باشد.
طول کلی کانال 8/3 متر، عرض کانال در تمامی موقعیت ها 30 سانتیمتر و عمق آن 1 متر می باشد لازم به ذکر می باشد این مدل با 4 شیب مختلف طولی 0/002 ، 0/005 ، 0/008 و 0/02 مدل سازی شده است و همچنین از 4 نوع غلظت مختلف 0/00667 ، 0/00727 ، 0/00859 و 0/01 و 4 نوع عدد فرود جریان مختلف 1/2 ، 3 ، 5 و 8 استفاده شده است. در این مدل مش بندی با تعداد تقسیمات88×13×38 ، 105×15×45 ، 140×20×60 و 175×25×75 که به ترتیب از سمت چپ بیناگر جهت x ، y و z می باشد لازم به ذکر است که از 6 نوع مدل آشفتگی - مدل - k-eاستاندارد ، RNG ، تحقیق پذیر - ، مدل k-w - استاندارد ، - SST و مدل - RSM از نوع کرنش-فشار خطی - - استفاده شده است.
در شکل - 1 - و - - 2 نمایی از مدل سازی و اعمال شرایط مرزی را مشاهده می نمایید.لازم به ذکر می باشد که در موقعیت B در مقطع - sec ||-||´ - خصوصیات جریان مورد بررسی قرار می گیرد. جهت صحت سنجی نتایج مدل عددی از نتایج ایمران و همکاران - - 2004 با شیبها،عدد فرود و غلظتهای مختلف استفاده شده است که شرایطاولیه جهت شبیه سازی عددی طبق جدول شماره - 1 - می باشد. که C0 غلظت اولیه، Fr0 عدد فرود جریان اولیه جریان چگال، U 0سرعت ورودی جریان، h0 ارتفاع دریچه ورودی جریان چگال، g0 شتاب ثقل کاهش یافته، Re0 عدد رینولدز ورودی جریان، Ri0عدد ریچاردسون اولیه جریان میباشد.
