بخشی از مقاله
چکیده
تحقیقات عددي و آزمایشگاهی زیادي به دلیل کارایی بالاي سرریزهاي پلکانی در انتقال جریان از بالادست سد به پایین دست انجام شده است. ارائه راهکارهایی که منجر به اقتصادي بودن طرح و همچنین افزایش کارایی سرریزهاي پلکانی شود مورد علاقه مهندسین هیدرولیک می باشد. در مطالعه عددي انجام شده از روش VOF براي شبیه سازي سطح آزاد جریان و روش براي آشفتگی جریان استفاده شده است.
لبه دار کردن پله ها باعث کاهش سرعت جریان می گردد. در صورت استفاده از لبه پله با ارتفاع 9 سانتی متر، سرعت متوسط جریان 25/42 درصد نسبت به حالت بدون لبه کاهش می یابد. همچنین در صورت استفاده از سرریز پلکانی با ارتفاع لبه 9 سانتی متر و تعداد 6 و 12 پله سرعت متوسط جریان در پایاب نسبت به سرریزپلکانی با ارتفاع لبه 9 سانتی متر و تعداد 10 پله 7 و 17/5 درصد افزایش می یابد.
مقدمه
سرریزهاي پلکانی از جمله سازه هاي هیدرولیکی موثر در انجام کارایی بهتر سدها در کاهش انرژي جنبشی می باشند. عبور آب برروي سرریز هاي پلکانی با کاهش انرژي جنبشی و اتلاف انرژي همراه است، که در نتیجه ابعاد حوضچه آرامش براي اتلاف انرژي جریان را کاهش می دهند.[1] بر روي سرریزهاي پلکانی سه نوع الگوي جریان وجود دارد. الف- رویه اي ب- انتقالی ج- تیغه اي. این سه نوع الگوي جریان بترتیب در دبی هاي بالا، متوسط و کم اتفاق می افتند.
چانسون و تومبیز[2]، کیسی و همکاران[3] ، فیلدر و همکاران .[4] در رژیم جریان رویه اي سطح جریان با شیب سرریز که بوسیله لبه پله ها تشکیل شده است موازي می باشد. در رژیم جریان انتقالی نوسان در سطح جریان مشاهده می گردد که با شیب سرریز موازي نمی باشد. در رژیم جریان تیغه اي یک سري آبشارهایی بر روي پله ها تشکیل می شوند که با برخورد به پله بعدي باعث اتلاف انرژي می شوند.
فیلدر و همکاران [5] تحقیقات آزمایشگاهی مختلفی بر روي سرریزهاي پلکانی انجام شده است. چانسون و گنزالس [6] با مدل سازي فیزیکی سرریز هاي پلکانی به بررسی اختلاط آب وهوا، شدت آشفتگی، سرعت جریان و طول حباب ها پرداختند. بارانی و همکاران[7] به بهینه سازي ابعاد سرریزپلکانی و اتلاف انرژي پرداختند. نتایج آنها نشان داد، انرژي جنبشی جریان با افزایش نسبت جریان کاهش می یابد. فیلدر و چانسون[8] به بررسی اتلاف انرژي، مقاومت جریان و ناحیه بینابینی گاز- مایع در جریان هاي رویه اي بر روي سرریزهاي پلکانی با شیب ملایم پرداختند.
داده هاي آزمایشگاهی نشان داد که با افزایش ورود هوا به داخل جریان اتلاف انرژي افزایش می یابد. چافی و همکاران[9] با الگوي جریان و اتلاف انرژي بر روي سرریزهاي پلکانی به این نتیجه رسیدند که فاکتور اصطکاك تاثیر زیادي در اتلاف انرژي برروي سرریزهاي پلکانی دارد. ویکاکسونو[10] با بررسی سرریزهاي پلکانی با 2، 4، 8، 16 و 32 پله به بررسی اتلاف انرژي پرداخت. فیلدر و چانسون[11]با بررسی سرریزهاي پلکانی منفذدار به بررسی هد پایاب، اختلاط آب وهوا، سرعت جریان و الگوي جریان پرداختند. لیندرو و همکاران[12] با بررسی 12 نوع سرریزپلکانی به بررسی غلطت هوا و سرعت جریان پرداختند.
علاوه بر تحقیقات آزمایشگاهی مطالعات عددي نیز بر روي سرریزهاي پلکانی انجام شده است. چن و همکاران[13] با شبیه سازي سه بعدي سرریز پلکانی و استفاده از روش VOF و به بررسی جریان آشفته، توزیع سرعت و فشار پرداختند. خیانجو و همکاران [14] با شبیه سازي عددي سرریز پلکانی به بررسی توزیع سرعت، پروفیل فشار و الگوي جریان پرداختند.
ژانگ دانگ و همکاران [15] با شبیه سازي عددي جریان آب بر روي سرریز پلکانی به این نتیجه رسیدند که مدل بیشترین کارایی را در شبیه سازي جریان بر روي سرریز پلکانی دارد. بومباردلی و همکاران [16] با اندازه گیري آزمایشگاهی و شبیه سازي عددي چند مش بلاکی با استفاده از نرم افزار FLOW 3D برروي سرریز پلکانی با شیب تند به نتایج قابل قبولی در پروفیل سطح آب و پروفیل سرعت دست یافتند.
سرفزاز و همکاران[17] به بررسی عددي نقطه شروع هوادهی بر روي سرریزهاي پلکانی با شیب تند پرداختند. نتایج آنها که براي دبی هاي مختلف بدست آمده بود شامل غلظت هوا و الگوي جریان بود که در تطابق خوبی با داده هاي آزمایشگاهی بود. چیناراسري و همکاران [18] با شبیه سازي جریان بر روي سرریز پلکانی به بررسی و بحث پیرامون پروفیل جریان، پروفیل سرعت، شدت آشفتگی و اتلاف انرژي پرداختند.
نیکسرشت و همکاران[19] با بررسی جریان هاي دو فازي برروي سرریزهاي پلکانی با شیب متفاوت به بررسی الگوي جریان پرداختند که نتایج آنها در تطابق خوبی با داده هاي آزمایشگاهی بود. در ادامه این تحقیق با توجه به کارآمد بودن سرریز پلکانی لبه دار با ارتفاع لبه 9 سانتی متر و طول 52 سانتی متر در کاهش سرعت جریان به بررسی سرعت جریان و اتلاف انرژي نسبی در 3 نوع سرریز پلکانی لبه دار با ارتفاع لبه 9 سانتی متر خواهیم پرداخت.
روش انجام تحقیق
براي شبیه سازي عددي الگوي جریان عبوري از روي سرریز پلکانی لبه دار از نتایج تحقیقات فیلدر و همکاران در دانشگاه کوئینزلند در سال 2012 - الف - استفاده شده است. سرریز پلکانی داراي طول کلی 2/81 متر، عرض ./52 متر، ارتفاع 1 متر و تعداد 10 پله می باشد. تمامی پله ها داراي لبه به ارتفاع 3/1 و عرض 1/5 سانتی متر می باشد. شیب سرریز 26/6 درجه و شعاع قسمت گرد گوشه بالادست تاج سرریز معادل ./8 متر است.
مش بندي و شرایط مرزي
جهت شبکه بندي سرریز پلکانی لبه دار از یک ناحیه مش بندي استفاده شده است. براي شبکه بندي میدان محاسبات شبکه غیر یکنواخت مورد استفاده قرار گرفته است. بطوریکه در نواحی اطراف لبه هاي واقع بر سرریز از سلول هایی با اندازه کمتر استفاده شده است. در شکل 2 نحوه شبکه براي میدان محاسبات نمایش داده شده است. در پایین دست سرریز و قبل ازتاج سرریز اندازه سلول هاي بزرگتر استفاده شده است.
تعداد کل سلول هاي استفاده شده در جهت افقی400 می باشد. در راستاي افقی حداقل اندازه سلول و حداکثر اندازه سلول بترتیب برابر با 0/007 متر و 0/026 متر است. تعداد سلول در راستاي قائم برابر 130 می باشد. در راستاي قائم حداقل و حداکثر اندازه سلول مش برابر 0/009 و 0/0226 متر است. در جهت عرضی نیز حداقل و حداکثر اندازه سلول مش برابر 0/013 متر می باشد. مجموع کل سلول هاي مش 2080000 می باشد. به منظور جلوگیري از تاثیر مرز خروجی بر الگوي جریان عبوري از سرریز مش بندي به اندازه ي 1/5 متر از انتهاي سرریز ادامه یافته است.
تفسیرF وابسته به نوع مسئله می باشد. در مسائل غیرقابل تراکم شامل یک سیال یا دو سیال با سطح مشترك می باشد. F بیانگر جمع حجم اشغال شده با سیال است. بنابراین جاهایی که F=1 است سیال و جاهایی که F=0 حباب و حفره داریم. در نواحی که سیال نداریم جرم سیال صفر است و یک فشار یکنواخت در آن حاکم است. در حالتی که 0<F<1 ناحیه هم شامل سیال و هم شامل هوا می باشد.
نتایج و بحث
در این شبیه سازي از بین دبی هاي مختلف آزمایش شده در کار فیلدر و همکاران 2012 - الف - ، دبی ./113 متر مکعب برثانیه که مربوط به رژیم جریان رویه اي می باشند انتخاب شده است. در ادامه نتایج مربوط به پارامتر سرعت در پله هایی که داده ي آزمایشگاهی وجود دارد با نتایج مدل عددي مقایسه می شوند. همچنین نتایج هد باقیمانده - - در پایاب با داده اي آزمایشگاهی مقایسه می شوند.
در شکل 3 توزیع سرعت برروي پله هاي شماره 8، 9 و 10 بین نتایج عددي و آزمایشگاهی مقایسه شده اند. در نمودارهاي ارائه شده dc برابر عمق بحرانی برروي تاج سرریز و مقدار آن برابر17 سانتی متر می باشد. همچنین w برابر ارتفاع لبه پله که مقدار آن برابر3/1 سانتی متر می باشد. Vc بیانگر سرعت بحرانی می باشد که طبق رابطه بدست می آید. درشبیه سازي انجام شده در تحقیق حاضر داده هاي بدست آمده در تطابق خوبی با داده هاي آزمایشگاهی هستند. میانگین خطاي نسبی براي سرعت در پله هاي شماره 8، 9 و 10 براي دبی 0/113 متر مکعب بر ثانیه بترتیب 7/244، 8/85، 11/33 می باشند.
