بخشی از مقاله
چکیده
پرتابکننده جامی شکل، از ﲨله سازه های استهلاک انرژی است که معمولا در سدهای بلند و در مواردی که سرعت جر یان بیش از 15 تا 20 مﱰ بر ثانیه باشد مورد استفاده قرار می گیرد. از آن جا که جر یان در پرتابه جامی، در عمل، به شدت آشفته، غیردائمی و سه بعدی میباشد، بنابراین در این پژوهش، با در نظر گرفﱳ هندسه های متفاوتِ جام - باکت - ، شامل مقادیر ﳐتلف شعاع اﳓناء، زاویه اﳓراف جریان و ارتفاع جام و نیز اعمال شرای ﳐتلف جریان نظﲑ مقادیر ﳐتلف عمق، سرعت و عدد فرودِ ورودی، شبیه سازی عددی جریان آشفته با استفاده از مدل FLUENT صورت گرفته است .
در این ﲢقیق، با شبیهسازی جریان آشفتهی سه بعدی و دو فازی - آب و هوا - به روش VOF ، در جام و ﳏاسبه حداکثر هد فشار دینامیکی، مشاهده گردید که مدل آشفتگی - k استاندارد، بیشﱰین انطباق را با نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی نشان می دهد . بر ا ین اساس، ﳏل وقوع حداکثر فشار د ینامیکی، به هندسه پرتابکننده جامی بستگی دارد و مقدار آن نیز وابسته به عدد فرود جریان ورودی، عم ق جریان، زاویه اﳓراف جریان در جام و ﳘچنﲔ شعاع جام بوده و تقریبا در قسمت میانی گودی جام رخ میدهد.
مقدمه
مستهلک کنندههای انرژی، سازههایی هستند که در انتهای سرریزها و تخلیهکنندههای تحتانی سدها به منظور استهلاک انرژی مازاد جریان ساخته میشوند. پرتابکنندهی جامی در سدهای بلند و در مواردی که سرعت جریان بیش از 15 تا 20 متر بر ثانیه باشد مورد استفاده قرار میگیرد. عملکرد هیدرولیکی و نیز ارزانتر بودن این سازه باعث شده است که در صورت مناسب بودن شرایط زمین شناسی بستر رودخانه در پایاب، در بیشتر سدها از پرتابکننده جامی به عنوان سازه مستهلک کننده انرژی استفاده شود.
به طور کلی حوضچههای پرتابی جریان، شامل پنج قسمت به شرح زیر میباشد: -1 تنداب ورودی، -2 جام یا قسمت پرتاب کننده جریان - دفلکتور - ، -3 پخش و پراکنده شدن جت جریان در هوا، -4 برخورد جت جریان با کف بستر و ایجاد فرسایش و آبشستگی، -5 محدوده پایاب. در شکل 1، نمونهای از طرح شماتیک یک پرتابکنندهی جامی - فلیپ باکت - نشان داده شده است.
جریان در پرتابه جامی شکل در طبیعت، به صورت سه بعدی، غیر ماندگار و به شدت آشفته میباشد. مطالعه عددی بر روی جریان آشفته در سرریز سدها از گذشته تا کنون مورد توجه بسیاری از محققین بوده است . به عنوان نمونه، کراگر و راچمن در سال 2006 با توسعه معادلات آبهای کم عمق، مدل سه بعدی برای شبیه سازی جریانهای فوق بحرانی ارائه نمودند .
لارس و همکاران در سال 2006 به بررسی منحنی مسیر پرتابه جت جریان و نیز مقادیر فشار در کف پرتاب کننده جامی در پایانه تنداب افقی پرداختند.[3] آنها تحلیل خود را در دو حالت، دو بعدی و سه بعدی، و با استفاده از مدل عددی اجزای محدود جزئی - PFEM - انجام داده و تأثیر افزایش عدد فرود و دبی جریان را بر روی طول پرتابه و فشار کف جام بررسی نمودند . صباغ یزدی و رستمی - 1386 - در پژوهشی به بررسی عمق، سرعت و توزیع فشار بر روی بسترهای دارای انحنای قائم، توسط مدل FLOW-3D پرداختند. پیروز و همکاران - 1388 - کاربرد مدلهای آشفتگی را در شبیهسازی جریان هوادهی شده در تخلیهکننده تحتانی سد سفیدرود، با استفاده از مدل عددی FLUENT بررسی نمودند.[
در تحقیق حاضر، با بیان معادلات حاکم بر انواع مدل های آشفتگی موجود در مدل FLUENT ، جریان آشفتهی سه بعدی در سازه پرتابه جامی شکل، شبیهسازی گردیده و پارامتر حداکثر هد فشار دینامیکی در جام، مبنای صحتسنجی مدل عددی قرار گرفته است.
مدل آزمایشگاهی
به منظور صحت سنجی مدل عددی و یافتن بهترین مدل آشفتگی برای مقدار حداکثر هد فشار در پرتابکننده جامی، از آزمایشات هلر و همکاران - 2005 - استفاده شده است. این آزمایشات در یک کانال مستطیلی به عرض 0/5 متر، ارتفاع 0/7 متر و طول 7 متر انجام شده است. کف کانال و دیواره سمت راست از جنس PVC و دیواره چپ کانال، از جنس شیشه است. جریان تقربِ فوق بحرانی تا مقدار 0/186 مترمکعب بر ثانیه اندازهگیری شده است. در این آزمایشات، زوایای مختلف انحراف جریان، اعداد فرود مختلف و اعماق مختلف جریان مورد بررسی قرار گرفته است. شکل 2، طرح مدل آزمایشگاهی مذکور را نشان می دهد .[7] همچنین جدول 1، نشان دهند ه شرایط هندسی آزمایشات صورت گرفته در جام پرتابی میباشد.
جدول - 1 - شرایط هندسی آزمایشات صورت گرفته در جام پرتابی
مدل عددی
در این تحقیق به منظور شبیه سازی جریان آشفته از مدل عددی FLUENT 6.3.26 استفاده گردیده است. FLUENT یک برنامه CFD جهانی است که با زبان برنامهنویسی C نوشته شده است و برای محدوده زیادی از کابردهای سیال مورد استفاده قرار میگیرد.
با توجه به ابعاد مدل آزمایشگاهی، شبکه بندی مدل عددی در نرم افزار Gambit با ابعاد سلولی 3 سانتیمتر یک بررسی بر روی انواع مش-بندی ممکن در Gambit انجام گردید و بر این اساس، در قسمت کانال تنداب از مش مربعی با الگوی Pave و در نواحی نزدیک به انحنای جام و دفلکتور پرتابی و ناحیه خروجی جریان و همچنین در قسمت مرز هوای مسئله، از مش چهار وجهی - Tetrahedron - استفاده گردید .
بنابراین، تعداد مش در شبکهی منتخب مسئله، 500564 عدد میباشد. شکل 3، شبکهبندی مسئله را در ناحیه پرتابه جامی و شرایط مرزی حاکم بر مدل حجم کنترل را نمایش میدهد.
به منظور انجام صحتسنجی مدل عددی با مدل آزمایشگاهی - برای پارامتر حداکثر هد فشاری - ، مدلسازی جریان در 4 حالت - آزمایش شماره 1 تا - 4 که در جدول 2، ذکر شده اجرا گردید. در هر یک از این حالتها، تمامی مدلهای آشفتگی موجود در نرمافزار FLUENT تا رسیدن به همگرایی کامل اجراء و نتایج نهایی در جدول ذیل بیان گردیده است . همچنین در شکلهای5 تا 9، بترتیب بردارهای سرعت جریان و نحوه توزیع سرعت و فشار جریان در پرتابه جامی و نیز کانتور شدت آشفتگی در جریان ورودی به پرتاب کننده جامی و کانتور نسبت حجمی فازهای سیال در جریان 2 فازی آب و هوا، نشان داده شده است.
جدول - 2 - نتایج مدلسازی حداکثر هد فشار در پرتابه جامی و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی
