بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به اهمیت حوضچههاي آرامش جهت استهلاك انرژي جریان و عملکرد مناسبتر حوضچههاي مستطیلی واگرا از نظر نسبت عمق ثانویه، طول نسبی و افت نسبی انرژي، امکانسنجی آن با استفاده از روشهاي عددي بسیار ارزشمند خواهد بود. در این تحقیق قابلیت مدلسازي عددي پرش هیدرولیکی واگرا در حوضچه مستطیلی به صورت سهبعدي با استفاده از نرمافزار FLUENT مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که مدل آشفتگی استاندارد و روش جزء حجم سیال - VOF - براي پیشبینی خصوصیات پرش در این حوضچهها مناسب میباشند. مقایسهها نشان داد که مدل عددي قادر است پروفیل سطح آب را با دقت 0/7 درصد شبیهسازي نماید. پروفیلهاي سرعت نیز تطابق خوبی با دادههاي اندازهگیري شده داشتند همچنین مدل شبیهسازي گردابههاي ایجاد شده در نتیجه واگرایی دیوارهها را به خوبی نشان داد.
-1 مقدمه
با توجه به اهمیت استهلاك انرژي آب در سازههاي هیدرولیکی، مطالعات وسیعی در مورد مشخصات پرش هیدرولیکی و روشهاي مختلف کنترل آن در حوضچههاي آرامش در قالب مدلهاي فیزیکی و عددي انجام شده است. یکی از روشهاي کاهش هزینه احداث حوضچههاي آرامش با پرش هیدولیکی، تغییر شکل مقطع و پلان حوضچه در جهت هماهنگی با مقاطع بالادست و پایین دست بدون استفاده از سازههاي تبدیل میباشد. از طرفی، هرگونه تغییري در هندسه حوضچه، شرایط ایجاد پرش و خصوصیات هیدرولیکی آن را تحت تأثیر قرار داده و عملکرد آن را در حوضچه آرامش تغییر میدهد.
راجاراتنام در سال 1965، براي اولین بار مطالعاتی بر روي خصوصیات هیدرولیکی پرش انجام داد. وي با بسط معادله مومنتم و استفاده از اصول پیوستگی و انرژي و با فرض پروفیل پرش به صورت یک جت تیغهاي ، معادله جدیدي براي نسبت عمق ثانویه ارائه نمود. ارباهیراما و ابلا - 1971 - ، خلیفه و مک کوروکودال - 1979 - ، خصوصیات پرش هیدرولیکی در کانال مستطیلی واگرا را بررسی کردند. نتایج آزمایشهاي انجام شده در این تحقیقها نشاندهنده کاهش طول پرش و نسبت عمق ثانویه در حالت واگرا در مقایسه با حالت پرش کلاسیک بود.
امید و اسمعیلی ورکی - 1384 - ، تاثیر زاویه واگرایی و شیب جانبی حوضچه آرامش بر مشخصات پرش در مقاطع واگرا را مورد مطالعه قرار دارند. آزمایشهایی براي دامنهاي از زوایاي واگرایی - صفر تا 9 درجه - ، شیب جانبی - قائم تا - 1/5:1 و اعداد فرود 2 تا 9، انجام پذیرفت. نتایج نشان داد که با افزایش زاویه واگرایی، نسبت عمق ثانویه و طول نسبی پرش به ترتیب 22/5 و 30 درصد کاهش و افت نسبی انرژي 24/5 درصد افزایش مییابد.
بختیاري و کاشفیپور - 1387 - ، شجاعیان و همکاران - 1389 - ، خصوصیات هیدرولیکی پارامترهاي پرش در مقاطع واگرا را مطالعه نمودند. مقایسههاي صورت گرفته بر روي پارامترهاي مهم پرش در تحقیقات فوق نشان داد که زاویه واگرایی موجب کاهش طول پرش و اعماق مزدوج و افزایش افت نسبی انرژي در مقایسه با پرش کلاسیک میگردد. به عنوان جمعبندي کلی، میتوان بیان داشت که واگرایی دیوارههاي حوضچه باعث کاهش نسبت عمق ثانویه و طول پرش و افزایش افت نسبی انرژي در مقایسه با پرش کلاسیک میشود.
پرش هیدرولیکی یکی از جریانهاي متغیر سریع بوده که داراي ساختار کاملا سهبعدي میباشد. از این رو تحلیل دقیق این پدیده با حل کامل معادلات جریان متلاطم دو فاز سیال امکانپذیر میباشد. پرشهاي هیدرولیکی را میتوان بسته به طبیعت آنها، بصورت دوبعدي در قائم و یا سه بعدي شبیهسازي نمود. سارکر و رودز - 2002 - ، پرش هیدرولیکی بر روي بسترهاي صاف را به صورت تجربی بررسی نموده و سپس با استفاده از مدلهاي آشفتگی 1RNG و روش جزء حجم سیال - VOF - شبیهسازي نمودند. نتایج عددي و آزمایشگاهی تطابق خوبی در حالت دو بعدي نشان داد ولی محاسبات در شرایط سه بعدي از دقت لازم برخوردار نبود.
زائو و میسرا - 2004 - ، با استفادا از معادلات پیوستگی و مومنتوم و با مدل آشفتگی به صورت دو بعدي پرش هیدرولیکی را شبیهسازي کرده و نتایج تحقیق خود را به صورت پروفیلهاي سرعت و سطح آب، محاسبه مقادیر انرژي جنبشی - k - و اتلاف انرژي - - ارائه نمودند. مقایسههاي انجام شده نشان داد که تطابق خوبی بین نتایج مدل و دادههاي آزمایشگاهی وجود دارد.
لیو و همکاران - 2004 - ، مطالعاتی بر روي خصوصیات آشفتگی پرش هیدرولیکی انجام دادند. بر طبق نتایج بدست آمده، حداکثر شدت آشفتگی و تنشهاي رینولدز با دور شدن از پنجه پرش به طور خطی کاهش پیدا میکند. اندازه گردابههاي تولید شده نیز در انتهاي پرش بیشتر میشود. گونزالز و بومباردلی - 2005 - ، پرش هیدرولیکی روي بستر صاف را با مدل عددي شبیه سازي نموده و با نتایج تجربی مدل فیزیکی مقایسه نمودند.
در این تحقیق مشخصات پرش هیدرولیکی با استفاده از مدلهاي آشفتگی و روش شبیهسازي گردابههاي بزرگ 2LES بررسی گردید و نتایج مدل عددي با مطالعات تجربی لیو و همکاران مقایسه شد. ارزیابیهاي انجام شده حاکی از آن بود که تطابق خوبی بین نتایج مدل و دادههاي آزمایشگاهی وجود دارد. فرومند و همکاران - 1388 - ، مدل عددي پرش هیدرولیکی را به صورت دوبعدي بررسی نمودند.
نتایج حاصل از حل عددي از قبیل پروفیل سطح آب و توزیع عمقی سرعت با نتایج حاصل از دادههاي آزمایشگاهی مقایسه شد که نتایج دو مدل انطباق خوبی با هم داشتند. در این مطالعه از مدل آشفتگی RNG در ترکیب با روش VOF، براي مدلسازي سطح آزاد و ایجاد جریان متلاطم دو فازي آب و هوا استفاده شده است. کریمی و همکاران - 1389 - ، مدلهاي آشفتگی مختلف جهت شبیهسازي عددي پرش هیدرولیکی در پایین دست دریچه را مقایسه کردند پرش هیدرولیکی با استفاده از نرمافزار فلوئنت و روش تعیین سطح آزاد VOF به صورت دوبعدي شبیهسازي شده است.
نتایج بدست آمده از شبیهسازي عددي براي سطح آزاد و پروفیل هاي سرعت با استفاده از هر سه نوع مدل آشفتگی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشته است. در قسمتهاي ابتدایی و میانی پرش مدل استاندارد نسبت به مدلهاي ، RNG و RSM براي مقادیر مولفههاي سرعت افقی نتایج بهتري داشتهاند. اما در نواحی انتهایی پرش مدلهاي ، RNG و RSM نتایج به نسبت بهتري داشتهاند.
استاندارد و RNG شبیهسازي نمودند و عباسپور و همکاران - 2009 - ، پرش هیدرولیکی بر روي بستر موج دار را با استفاده از مدلهاي آشفتگی نتایج شبیهسازي عددي با نتایج مدل فیزیکی ساخته شده بدین منظور، با یکدیگر کردند. نتایج بیانگر کارایی مدل آشفتگی و همچنین روش VOF جهت برآورد پروفیل سطح آب بود. میزان خطاي مدل براي تعیین پروفیل سطح آب بین 1 تا 8/6 درصد گزارش شد.
پروفیلهاي سرعت نیز در مدل عددي و فیزیکی مقایسه شدند که نتایج حاکی از مطابقت خوب مقادیر حاصله از مدل و اندازهگیري شده بود. از آنجاکه تاکنون تحقیقی در رابطه با شبیهسازي عددي پرش هیدرولیکی واگرا انجام نشده است، در تحقیق حاضر مدلسازي این پدیده با حل عددي معادلات ناویر- استوکس3 و استفاده از مدلهاي آشفتگی به صورت سه بعدي با استفاده از نرمافزار FLUENT مورد بررسی قرار گرفت.
-2 مواد و روشها
-1-2 مدل آزمایشگاهی
براي مطالعه آزمایشگاهی مشخصات پرش هیدرولیکی در مقاطع واگرا از نتایج مدل آزمایشگاهی ساخته شده توسط کاسی - 1389 - در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه تهران استفاده شد. مدل مورد استفاده شامل یک مخزن آرام کننده به همراه سرریز مثلثی لبه تیز براي اندازهگیري دبی و مخزن تأمین هد در بالادست، دریچه کشویی لبه تیز، یک کانال مستطیلی با کف و دیوارههایی از جنس شیشه به عرض 1 ارتفاع 1 متر و طول 6 متر و یک مخزن با سرریز مثلثی واسنجی شده در پاییندست میباشد - شکل . - 1 مدل حوضچه آرامش داراي طولی به اندازه 1/4 متر بوده که بلافاصله بعد از دریچه کشویی مستقر گردیده است. این مدل به گونهاي طراحی شده است که امکان ایجاد زوایاي واگرایی متفاوت وجود داشته باشد.
براي ایجاد جریان فوق بحرانی و عمق اولیه پرش از یک دریچه کشویی قابل تنظیم در فاصله بسیار کمی از شروع واگرایی مقطع استفاده شده است. پرش هیدرولیکی با اعداد فرود مختلف در هر مقطع واگرایی ایجاد شده و پروفیل آن با استفاده از پیزومترهایی که در فواصل 5 سانتی متري بر روي کف حوضچه نصب شده بود، اندازهگیري گردید. براي اندازهگیري سرعت جریان از سرعتسنج ADV استفاده شده است.
-2-2 مدل عددي
براي شبیهسازي سه بعدي پرش هیدرولیکی در مقاطع واگرا ابتدا محدوده هندسی مدل در محیط نرم افزار Gambit ایجاد و شبکهبندي شد. شکل 2 طرح شماتیک محدوده محاسباتی در مقطع واگرا با زاویه واگرایی 10 درجه را نشان میدهد. مطابق شکل - 3 - ، شرایط مرزي ورودي و خروجی به صورت فشارهیدرواستاتیک در نظر گرفته شده است. در ورودي عمق آب و سرعت پشت دریچه به مدل داده شد. شرایط اولیه براي سلولهاي بالادست دریچه تا بالاي مرز ورودي فشار آب، سیال آب در نظر گرفته شده است.
