بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مناسب ترین روشهای انحراف جریان دررودخانه های پر شیب، بکارگیری از آبگیر کفی است. یکی از پارامترهای موثر در میزان انحراف جریان از آبگیرها، قطر شبکه انحراف می باشد. با توجه به اینکه تحلیل هیدرولیکی جریان در آبگیرکفی با شبکه های عرضی چندان توسط مدل های ریاضی مورد بحث قرار نگرفته و از طرفی بررسی و ساخت مدل های فیزیکی زمان بر و پر هزینه می باشد، لذا در این تحقیق اقدام به شبیه سازی عددی اثر قطر شبکه های عرضی بر میزان تخلیه آبگیر کفی توسط نرم افزار Flow3D شده است.
نتایج این تحقیق نشان داد که مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی انطباق نسبتا خوبی در خصوص محاسبه ضریب تخلیه در آبگیر کفی با شبکه های عرضی و دبی انحرافی دارد. همچنین نتایج نشان داد بهترین مدل آشفتگی به منظور حل میدان جریان مدل K- می باشد.
مقدمه
در بحث آبگیری از رودخانه ها روش های متعددی وجود دارد که هر یک ویژگی ها و محدودیت ها ی خاص خود را دارند. روش های مختلف عملکرد های گوناگونی را از خود نشان داده و دارای معایب و محاسنی هستند. آبگیری از جریان آب در رودخانه ها معمولا به دو روش پمپاژ و ثقلی و با اهداف گوناگون پخش سیلاب، آبیاری، آبرسانی شهری یا تولید برق آبی صورت می گیرد. روش آبگیری بستگی به هدف طرح، شرایط رودخانه و مقدار آب مورد نیاز دارد روش ثقلی به دلیل پیوسته بودن و عدم نیاز به صرف انرژی بر روش پمپاژ ارجحیت دارد. روش های مختلفی به طریق ثقلی امکان پذیرمی باشد که معمولا به سه دسته آبگیرهای جانبی، جلویی و کفی تقسیم بندی می شوند.
در انتخاب نوع آبگیر باید به رژیم جریان رودخانه، بار رسوبات معلق و بار بستر، هیدرولوژی جریان، جنس خاک بستر ررودخانه شرایط زمین شناسی وغیره استفاده نمود. در رودخانه های کوهستانی با شیب بسیار تند و با رسوبات درشت دانه، آبگیر های جانبی و جلویی جوابگو نخواهند بود چرا که به سرعت از رسوب پر خواهند شد و همچنین به علت شیب زیاد منطقه و پتانسیل بالای رانش و لرزه خیزی، پایداری آن ها به شدت در معرض خطر خواهد بود.
با توجه به تجربیات بدست آمده برای مناطق کوهستانی و کوهپایه ای با شیب طولی رودخانه بیش از یک درصد آبگیر کفی توصیه شده است. آبگیر با کف مشبک سازه ای است که از تعدادی میله، معمولا از جنس فولاد تشکیل شده در تراز بستر رودخانه قرار می گیرد شیبدار بودن این میله ها موجب تسهیل در رانده شدن رسوبات حمل شده توسط رودخانه می گردد جهت انتقال آب منحرف شده، از کانالی عمود بر جریان استفاده می شود.
با توجه به نحوه قرار گیری کف مشبک در مقطع رودخانه، زمانیکه جریان آب از روی آن عبور می کند مقداری و یا قسمتی از دبی رودخانه در طول کف مشبک کاهش می یابد در صورت پایدار بودن جریان رودخانه، یک جریان متغیر مکانی با کاهش دبی بر هیدرولیک آبگیر کفی حاکم است تغییرات دبی و سطح آب در محل آبگیر، تابعی از شیب طولی آبگیر، دبی جریان و دبی منحرف شده است. معادله کلی حاکم بر جریانهای متغیر مکانی با کاهش دبی به صورت زیر می باشد:
که در آن y عمق جریان در طول کف مشبک، S0 شیب طولی کف مشبک، S f شیب خط انرژی در طول سازه مشبک، Q دبی جریان عرض کف، A سطح مقطع جریان در طول آبگیر، g شتاب ثقل، ضریب تصحیح سرعت در معادله انرژی، D عمق هیدرولیکی و dx dQ میزان کاهش دبی در طول کف مشبک می باشد.
شکل - : - 1 نمای کلی از کف مشبک با میله های عمود بر جریان
در صورتیکه ارتفاع موثرآب روی کف مشبک تقریبا با انرژی مخصوص E صورت مقدار شدت جریان خروجی از واحد طول کف مشبک با فرض 0 - معادل باشد و افت انرژی قابل اعماض باشد، در این - S0 S f برابر است با:
که در آن = نسبت سطح باز به کل سطح کف مشبک - نسبت منفذها - و = Cd ضریب شدت جریان برای کف مشبک با میله های عمود بر جریان می باشند. با توجه به اینکه تحلیل هیدرولیکی جریان در آبگیر کفی چندان توسط مدل های ریاضی مورد بحث قرار نگرفته است و از طرفی بررسی و ساخت مدل های فیزیکی زمان بر و پر هزینه است بنابراین در این پژوهش شبیه سازی هیدرولیک جریان در آبگیر کفی با میله های عرضی توسط نرم افزار Flow3D مورد نظر قرار گرفت تحقیق صورت گرفته اهداف زیر را شامل می شود :
-1 ساخت مدل ریاضی جریان در آبگیر کفی
-2 بررسی تغییرات قطر شبکه انحراف بر دبی انحرافی
-3 تعیین ضریب تخلیه در قطرهای مختلف شبکه آبگیر
تحقیقاتی را با استفاده از کانال مستطیلی انجام دادند. هدف اصلی در این مطالعه بدست آوردن رابطه ای برای ضریب شدت جریان ، تعیین دبی انحرافی ازآبگیرهای کفی وبررسی مشکلات بوجود آمده در اثر حرکت رسوبات روی این نوع آبگیر می باشد. نتایج این تحقیق نشان داد پارامتر مهم ومؤثر در تعیین ضریب شدت جریان نسبت منافذ ویا ترکیباتی از این پارامتر است. همچنین با افزایش مقدار نسبت بازشدگی مقدار ضریب شدت جریان به شدت کاهش می یابد ، ولی افزایش عدد فرود باعث کاهش کمی در مقدار این ضریب می شود
- اورت، - 1954با استفاده از کانالی با شیب 20 و 5 درصد و با مقاطع T شکل، مثلثی ، نیم دایره، دایره و تخممرغی و یک شبکه مشبک با میله های موازی، تحقیقاتی برروی آبگیر کفی انجام داد. نتایج این مطالعات نشان داد کمترین طول آبگیر در مقطع تخم مرغی است و کمترین دبی عبوری در مقطع T شکل اتفاق می افتد
- ونکاتارامن و همکاران، - 1979یک آبگیر کفی را با استفاده از یک کانال کوچک با عرض 0/3 متر و حداکثر دبی 25 لتیر بر ثانیه مورد بررسی قرار دادند. در بررسی های جداگانه که با شیب صفر کانال و میلههای با مقطع نوک تیز انجام گرفت معلوم شد که ضریب جریان به عدد فرود بستگی نداشته اما با کاهش عمق این ضریب افزایش مییابد
- سوبرامانیا و شوکلا، - 1988تحقیقاتی در مورد آبگیر کفی انجام دادند. آنها جریان بر روی آبگیر کفی را به 5 دسته تقسیم کردند. نتایج بدست آمده نشان داد برای کانال افقی جریان زیر بحرانی در بالادست و فوق بحرانی در پایین دست آبگیر، نسبت جریان منحرف شده به جریان بالادست با افزایش نسبتهای طول آبگیر به عمق بحرانی و فاصله خالص بین میلهها به قطر میلهها به طور مؤثری افزایش مییابد
- برونلا و همکاران، - 2003تحقیقاتی رابا استفاده از کانال مستطیلی انجام داده اند و رابطه ای بر اساس پارامترهای موثر از قبیل ضریب تخلیه و نسبت بازشدگی به کل سطح برای طراحی مناسب کف مشبک بدست آورند
- کمان بدست و همکاران، - 2012تحقیقاتی درمورد آبگیرهای کفی با میله های موازی جریان انجام دادند. آنها هیدرولیک جریان در آبگیر کفی را توسط نرم افزار Flow3D شبیه سازی کردند و شیب های مختلف و تاثیر آن بر ضریب تخلیه جریان را مورد بررسی قرار دادند نتایج این تحقیق نشان داد که در آبگیر کفی با میله های موازی جریان با افزایش عدد فرود مقدار ضریب تخلیه آبگیر کاهش می یابد
مواد و روش ها
در این تحقیق در ابتدا از فلومی به طول 13 متر، عرض 50 سانتی متر و عمق 60 سانتی متر با شیب متغیر و بدنه شیشه ای به منظور مشاهده شرایط هیدرولیکی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز جهت کالیبراسیون و صحت نرم افزار استفاده شد. به منظور اندازه گیری دبی منحرف شده از دهانه آبگیر کفی نصب شده در کف کانال اصلی، یک کانال با چهارچوب فلزی، کف گالوانیزه و بدنه شیشه ای در فاصله 8 متری و زیر کانال 13 اصلی تهیه و بصورت متقاطع با فلوم اصلی نصب شد. دهانه آبگیر ورودی در این تحقیق با توجه به میزان آبدهی پمپ سانتریفیوژ موجود و نیز شرایط و محدودیت های مدل، به طول 10 و عرض 50 سانتی متر ساخته شد.
بر اساس توصیه های طراحی، نسبت سطح باز به کل سطح کف مشبک بین 30 تا 40 درصد در کف های مشبک در نظر گرفته می شوند. برای شبکه توری از میلگرد های با قطر 5، 8، 11 و13 میلی متر با فضای بازشدگی خالص 35 درصد استفاده شد، در کلیه آزمایش ها شیب کف آبراهه ثابت و برابر صفر در نظر گرفته شد و آزمایشات در چهار دبی 10، 15، 20، 25 لیتر بر ثانیه برای جریان فوق بحرانی و زیر بحرانی در بالادست انجام شد.سپس شکل هندسی سازه در نرم افزار Solid Work به صورت سه بعدی ساخته شد.
قابل ذکر است که نرم افزار Flow3D قابلیت ساخت اشیاء با هندسه مشخص و وارد کردن اشیا، از پیش طراحی شده در نرم افزارهای مختلف از قبیل Auto CAD و Solid Work را دارا می باشد. اما از آنجا که طراحی شکل هندسی شبکه های آبگیر در نرم افزار Flow3d مقدور نبود در نتیجه ساخت شکل سه بعدی سازه درSolid Work انجام گرفت. پس از وارد کردن شکل هندسی ساخته شده به Flow3D - شکل - 2 مراحل بعدی نرم افزار که بعضی از اشکال آن آورده شده است اجرا می کنیم سپس شروع به ران کردن برنامه کرده و نتایج را استخراج می کنیم
