بخشی از مقاله
چکیده
تخمین صحیح میزان دبی جریان عبوری از روی سرریزهای جانبی یکی از مسائل مهم و پیچیده می باشد. با توجه به معادلات هیدرولیکی مرسوم،معمولاً طراحی این سازهها بر اساس پیش فرضهای مربوط به طراحی سرریزهای جانبی با آب خالص و بدون در نظر گرفتن تغییرات مورفولوژیکی بستر انجام میشود. درحالیکه این پیش فرضها در طراحی سرریزهای جانبی ساخته شده در داخل کشور که از شرایط بستر طبیعی فرسایش پذیر و آب دارای رسوب برخوردارند، به ندرت مصداق پیدا میکند.
در چنین شرایطی سرریز بخشی از جریان موجب کاهش ظرفیت انتقال رسوب در آبراهه اصلی و در نتیجه رسوبگذاری و افزایش تراز بستر در پایین دست سرریز جانبی می شود. کاهش سطح مقطع جریان در پایین دست سرریز جانبی موجب برگشت جریان و تحمیل تلفات انبساط و انقباض بر آن می گردد. با افزایش سطح آب در محدوده سرریز جانبی، میزان دبی جریان خروجی از روی سرریز جانبی نسبت به دبی طراحی افزایش می یابد.
بنابراین در صورت عدم پیش بینی چنین تغییراتی در طراحی سرریز جانبی، عملکرد تاسیسات جانبی با مشکل مواجه می شود. با توجه به اینکه تاکنون شبیه سازی جریان بر روی سرریزهای جانبی با در نظر گرفتن اثر تغییرات موفولوژیکی بستر به صورت جامع انجام نشده است لذا در مقاله حاضر از مدلسازی عددی جریان توام آب و رسوب بدین منظور استفاده شده است. در این تحقیق بر مبنای اطلاعات موجود مدل آزمایشگاهی بررسی جریان بر روی سرریزهای جانبی انجام شده توسط آقای روزیر - 2007 - و با استفاده از نرم افزار SSIIM ، الگوی جریان در داخل آبراهه اصلی و در مجاورت سرریز جانبی و همچنین تغییرات مورفولوژیکی بستر ناشی از فرسایش و رسوبگذاری شبیه سازی شده است.
بررسی های عددی نشان داد که در محدوده تغییرات دبی ورودی به کانال اصلی از 131 تا 188 لیتر بر ثانیه تغییراتی در فرم بستر کانال اصلی در پایین دست سرریز جانبی صورت می گیرد که موجب افزایش حداقل 50 درصدی دبی عبوری از روی سرریز جانبی نسبت به بستر ثابت می شود. در پایان، ارزیابی انجام شده از نتایج مدل عددی در مقایسه با نتایج مدلهای آزمایشگاهی حاکی از دقت بالای مدل - SSIIM خطایی در حدود 3 درصد - در تحلیل شرایط واقعی تاثیر تغییرات مورفولوژیکی بر میزان آبگیری سرریزهای جانبی می باشد.
.1 مقدمه
سرریزهای کناری یا سرریزهای جانبی، سازه های تنظیم و انحراف جریان های اضافی در مهندسی هیدرولیک می باشند. این نوع از سازه ها در کنار کانال ها، مسیل ها و رودخانه ها احداث می شوند تا با انحراف و سرریز بخشی از جریان سیلابی که سطح آب آن در کانال یا آبراهه اصلی از یک ارتفاع معینی افزایش یافته است موجب مهار سیلاب و کاهش خطرات آن در پایین دست شود.
سرریز جانبی یکی از متداول ترین سازه هایی است که در مناطق خشک و نیمه خشک برای مهار سیلاب ها و تغذیه مصنوعی سفرههای آب زیرزمینی جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. تخمین صحیح میزان دبی جریان عبوری از روی سرریزهای جانبی یکی از مسائل مهم و پیچیده می باشد. با توجه به معادلات هیدرولیکی مرسوم، معمولاً طراحی این سازهها بر اساس پیش فرضهای مربوط به طراحی سرریزهای جانبی با آب خالص و بدون در نظر گرفتن تغییرات مورفولوژیکی بستر انجام میشود.
درحالیکه این پیش فرض ها در طراحی سرریزهای جانبی ساخته شده در داخل کشور که از شرایط بستر طبیعی فرسایش پذیر و آب دارای رسوب برخوردارند، به ندرت مصداق پیدا میکند. در نتیجه، عملکرد سرریزهای اجرا شده مطابق آن چه که در طراحی مد نظر بوده نمیباشد. در حالی که سرریز بخشی از جریان موجب کاهش ظرفیت انتقال رسوب در آبراهه اصلی و در نتیجه رسوب گذاری و افزایش تراز بستر در پایین دست سرریز جانبی می شود. کاهش سطح مقطع جریان در پایین دست سرریز جانبی موجب برگشت جریان و تحمیل تلفات انبساط و انقباض بر آن می شود
. با افزایش سطح آب در محدوده سرریز جانبی، مقدار دبی جریان خروجی از روی سرریز جانبی نسبت به دبی طراحی افزایش می یابد. بنابراین در صورت عدم پیش بینی چنین تغییراتی در طراحی سرریز جانبی، عملکرد تاسیسات جانبی را با مشکل مواجه می سازد. هاگر - 1987 - با صادق ندانستن فرض رابطه دبی سرریز نرمال در سرریزهای جانبی فرمول جدیدی را برای سرریزهای جانبی پیشنهاد نمود و اظهار داشت که ضریب شدت جریان وابسته به عوامل نسبت سرعت به عمق جریان، زاویه جریان خروجی و شکل کانال می باشد.
سابرامانیا و آواستی - - 1972 معادله دیفرانسیل عمومی جریان متغیر مکانی با کاهش دبی در یک کانال مستطیلی افقی را که در آن یک سرریز جانبی با ارتغاع صفر یا محدود را مورد توجه قرار دادو با انجام آزمایشات برای جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی، روابطی را برای محاسبه ضریب آبگذری سرریزهای جانبی لبه تیز ارائه نمودند. سینگ و همکاران - - 1993 نشان دادند که ضریب آبگذری بر عدد فرود بالادست به نسبت ارتفاع سرریز به عمق جریان بالادست سرریز نیز بستگی دارد و با استفاده از رگرسیون چند متغیره، رابطه ای برای محاسبه ضریب آبگذری بدست آوردند.
برقعی و جلیلی زاده - 1376 - با بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر ضریب آبگذری نشان دادند که در جریانهای فوق بحرانی فرض ثابت بودن انرژی مخصوص در طول سرریز صحیح نمی باشدو توصیه می شود که از معادله اندازه حرکت جهت تحلیل جریان بر روی سرریزهای جانبی استفاده شود. فرارویی و همکاران - 1380 - مطابق شکل 1 اثر شیب جانبی دیواره کانال اصلی و ارتفاع سرریز جانبی را روی ضریب آبگذری سرریز جانبی بررسی نمودند و مدل ریاضی برای تعیین آن در کانال ذوزنقه ای ارائه نمودند.
در این تحقیق شرایط جریان در شرایط باز بودن و بسته بودن انتهای کانال اصلی به صورت آزمایشگاهی و ریاضی بررسی گردید و مشخص گردید که برخی از روابط ارائه شده در تحلیل جریان در کانالهای با انتهای باز همچون دیمارچی و سوبرامانیا و آواستی قابلیت پیش بینی جریان در شرایط بسته بودن انتهای کانال اصلی را ندارند و روابط ارائه شده توسط سینگ و همکاران - 1993 - و مدل توسعه داده شده توسط آنها نیز با ضریب همبستگی حدود 65 درصد قادر به پیش بینی مشخصات جریان بر روی سرریزهای جانبی کانالهای با انتهای بسته می باشند.
اما در عین حال توصیه نموده اند تا با توجه به شرایط خاص حاکم بر جریان در چنین شرایطی - سرریز جانبی در کانال با انتهای بسته - ، مدل مفهومی مناسبتری توسعه داده شود. بوماز - 2005 - یک مدل عددی تقاضل محدود را بر اساس فرض ثابت بودن انرژی در شرایط جریان زیربحرانی و فوق بحرانی برای تعیین ضریب آبگذری سرریز جانبی و پروفیل سطح آب در یک کانال مستطیلی ارائه نمود.
روزیر - 2007 - اثر تغییرات بستر بر میزان جریان خروجی از سرریزهای جانبی را به صورت آزمایشگاهی بررسی نمود. مطابق شکل -2الف مجموعه آزمایشگاهی تهیه شده در این تحقیق متشکل از یک کانال اصلی مستطیلی با بستر رسوبی و همچنین یک کانال جانبی تخلیه جریان سرریزی بود که بخشی از آزمایش ها را با یک سرریز جانبی با طول های 3 و 6 متر و بخش دیگر را با دو سرریز جانبی متوالی به طول 2,5 متر تعبیه شده در دیواره راست کانال انجام داد.
لازم به توضیح است که آزمایش ها در شرایط بازبودن انتهای کانال اصلی صورت گرفته است. نتایج آزمایش ها نشان داد که به دلیل شکل گیری الگوی خاصی از جریان در محدوده سرریز بویژه بخش انتهایی آن ، تغییرات قابل ملاحظه ای در پروفیل بستر شکل می گیرد - شکل -2ب - که عمدتاً با افزایش تراز بستر در پایین دست سرریز همراه می باشد. رخداد چنین پدیده ای منجر به پسزدگی جریان و تغییر الگوی جریان در محدوده سرریز جانبی می گردد که افزایش میزان آبگیری سرریز جانبی یک از آثار آن می باشد.
الف- مدل آزمایشگاهی کانال اصلی و سرریز جانبی
ب- نقشه ساده ای از تغییرات فرم بستر در محدوده سرریز جانبی
امروزه استفاده از روشهای عددی در محاسبات کامپیوتری اهمیت زیادی داشته و بهعنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسایل مهندسی بهکار میرود. علم دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - بهصورت یک ابزار توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستمهای با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده برای محققان و مهندسان درآمده و در دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است.
در دهه 1980 حل مسایل جریان سیال توسط روش CFD، موضوع حوزه تحقیق محققان و متخصصان شبیه سازی درآمده و نرمافزارهای تجاری زیادی بوجود آمده است. نرمافزارهایی که در حال حاضر در بازار موجود است، ممکن است بسیار قوی باشند، اما عملکرد آنها هنوز نیازمند یک مهارت و درک بسیار بالا از سوی کاربر میباشد تا نتایج قابل قبولی در حالتهای پیچیده بهدست آید. لذا در این تحقیق با استفاده از کد کامپیوتری SSIIM ، تاثیر تغییرات فرم بستر رودخانه ها بر پارامترهای هیدرولیکی سرریز جانبی - بر گرفته از مطالعات آزمایشگاهی روزیر - - 2007 - شبیه سازی شده است.
.2 توصیف مدل عددی مورد استفاده
.1,2 معرفی مدل عددی
در این مقاله از مدل عددی SSIIM2.0 برای شبیه سازی سه بعدی جریان و تغییرات بستر در کانال استفاده شده است. مدل عددی SSIIM2.0که مخفف Sediment Simulation In Intakes with Multiple Option می باشد در سال 1997توسط اولسن به منظور شبیه سازی انتقال رسوبات ریز ارائه شده و بصورت رایگان در اینترنت قرار داده شد.
این نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی است که برای استفاده در مهندسی هیدرولیک و انتقال رسوب تدوین شده است. همچنین از این مدل در شبیه سازی رسوبات مخازن و کانال ها، مدل کردن سرریز، افت در تونل ها، رابطه دبی-اشل در رودخانه ها و ... نیز استفاده می شود. از دلایل استفاده از این مدل می توان به توانایی حل سه بعدی میدان حل و همچنین استفاده از معادلات حل مختلف و مدل های آشفتگی مختلف و ایجاد شبکه در محیط نرم افزار و همچنین رایگان بودن آن اشاره کرد.
