بخشی از مقاله
چكيده
در بسياري از تاسيسات هيدروليكي تعيين ساختار جريان از کانال اصلي به کانال جانبي از اهميت بااليي برخوردار است بنابراين شناخت کامل الگوي جريان امري ضروري ميباشد. استفاده از مدلهاي فيزيكي به دليل ساختاري کامال سه بعدي و پيچيده الگوي جريان و همچنين تاثيرات ناشي از مقياس، به تنهايي قادر به ارائه درک روشني از فيزيک حاکم بر مسئله نميباشد
استفاده از مدلهاي عددي در کنار مطالعات صحرايي و آزمايشگاهي امري حتمي ميباشد. مدل SSIIM2 يک مدل عددي شبيهسازي الگوي جريان و رسوب در کانال هاي داراي انشعاب جانبي مي باشد. در اين مقاله ميدان جريان سه بعدي حول آبگير جانبي واقع در يک کانال قوسي 81 درجه با استفاده از مدل k- استاندارد حل شده است. مقايسه نتايج حاصله با نتايج آزمايشگاهي نشان ميدهد که اين مدل قابليت پيشبيني الگوي جريان دارد ولي در تعيين موقعيت و اندازه گردابه در مقاطع عرضي ضعف دارد.
- مقدمه
وضعیت شماتیک جریان در یک آبگیر که با زاویه 90 درجه در یک مسیر مستقیم نصب شده است, توسط نیری و همکاران در شکل - 1 - ارائه شده است. همانگونه که در این شکل مشاهده میشود میدان جریان در اطراف آبگیرهای جانبی کاملاً سه بعدی و پیچیده میباشد.
با نزدیک شدن جریان به آبگیر بخاطر فشار مکشی اعمالی از طرف کانال جانبی، جریان در جهت عرضی شتاب گرفته و به دو قسمت تقسیم می شود. قسمتی وارد آبگیر شده و مابقی در کانال اصلی پایین دست جریان مییابد. قسمتی که وارد کانال انشعاب می شود، توسط صفحه برشی خمیدهای معین میشود که به صفحه تقسیم کننده جریان معروف است. جریانی که وارد آبگیر میشود، دارای مومنتم شدیدی در جهت کانال اصلی بوده و به همین علت داخل آبگیر، جدایی جریان اتفاق می افتد
بخاطر وجود گرادیان فشار جانبی، تنش برشی بستر و نیروی جانب مرکز ناشی از انحناء خطوط جریان، جریان ورودی به آبگیر دچار عدم تعادل شده و همین پدیده باعث ایجاد جریان ثانویهای در طول آبگیر میشود که مکانیسم تشکیل آن شبیه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی در قوس ها میباشد, بطوریکه صفحه برشی مزبور به عنوان دیواره بیرونی عمل کرده و ناحیه قوسی شکل ایجاد شده توسط قسمت چرخشی داخل آبگیر ، دیواره داخلی قوس مزبور را تشکیل میدهد. پس از آنکه رسوبات مجاور کف به داخل آبگیر منتقل گردیدند، جریان ثانویه رسوبات را به داخل منطقه با چرخش کم - ناحیه - A، یعنی جائیکه جریان از دیواره بالادست آبگیر جدا شده هدایت میکند. رسوبات با وجود سرعتهای کم نمیتوانند از منطقه جداشدگی منتقل شوند، در نتیجه امکان تهنشینی رسوبات و انسداد مسیر جریان به وجود می آید
مشخصه اصلی جریان در خم رودخانه ها وجود جریان حلزونی است که بر اثر اختلاف نیروهای گریز از مرکز بین لایههای بالایی و پایینی جریان ایجاد میشود. وجود این جریان باعث میشود که تمایل بردارهای سرعت در سطح آب به طرف قوس خارجی و در کف به طرف قوس داخلی باشد و همین پدیده باعث انتقال بار بستر به طرف قوس داخلی می شود. لذا جانمایی آبگیر در قوس خارجی رودخانه یکی از راههای کاهش رسوب ورودی به آبگیرهای جانبی است.
جانمایی آبگیر در قوس خارجی رودخانهها و تلفیق جریان حلزونی قوس و الگوی جریان پیچیده جلوی آبگیر، بر پیچیدگی این الگوی جریان سه بعدی میافزاید. شناخت الگوی جریان در اطراف آبگیر واقع در قوس رودخانه میتواند مهندسین را در طراحی بهتر آن یاری نماید. در تحقیق حاضر با استفاده از نرم افزار شبیه سازی سه بعدی میدان جریان - SSIIM2 - به بررسی الگوی جریان اطراف آبگیر جانبی واقع در موقعیت 115 درجه و با زاویه انحراف 45 درجه از یک کانال قوسی با زاویه مرکزی 180 پرداخته شده است و از داده های اندازه گیری میدان جریان که توسط یک سرعت سنج سه بعدی ADV برداشت شده است، جهت کالیبراسیون مدل استفاده شده است.
شکل - 1 - الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر مستقیم
- مروري بر مطالعات انجام شده
مطالعات متعددی روی الگوی جریان در آبگیری از مسیرهای مستقیم صورت گرفته است. در این زمینه تحقیقاتی توسط افراد مختلف نظیر بلانچ و همکاران[3]، ونونی[4]، نیری و اودگارد[5] و نیری و سوتیروپولوس[1] صورت گرفته است. بر روی آبگیری از خم رودخانه ها نیز تحقیقاتی صورت پذیرفته است. از جمله این افراد می توان به جاگلکار[6]، تورو[7]، رضوان[8]، نظری,[9] پیرستانی,[10] ابوالقاسمی[11]اشاره نمود.
نتایج کلی تحقیقات فوق نشان میدهد که بکارگیری آبگیر در نیمه دوم قوس خارجی و در جایی که جریان ثانویه کاملا توسعه یافته است، مناسب است. دهقانی [12] - 1385 - با نصب آبگیر در 5 موقعیت 90، 102/5 ، 115، 135 و 150 درجه در نیمه دوم قوس خارجی کانال قوسی180 درجه, به بررسی میزان رسوب ورودی به آبگیر پرداخت. در آزمایشات ایشان از چهار زاویه آبگیری 75، 60، 45 و 30 استفاده شد. نتایج تحقیق دهقانی نشان داد که محدوده بین 115 تا 135 درجه برای آبگیری مناسب است. وی همچنین زاویه آبگیری 45 درجه را در محدوده آزمایش های خود توصیه نمود.
-3 آزمايشات
آزمایشات در یک کانال قوسی با زاویه مرکزی 180 درجه، شعاع متوسط 2/6 متر و با عرض 0/6 متر انجام شد. در بالادست قوس یک کانال مستقیم به طول 7/2 متر و در پایین دست قوس، کانال مستقیمی به طول 5/2 متر وجود دارد. کف کانال از جنس شیشه و و دیوارههای آن از جنس پلکسی گلاس می باشد. در موقعیت 115 درجه از قوس، کانال آبگیر با زاویه انحراف 45 درجه نسبت به امتداد جریان در کانال اصلی نصب گردید. عرض و طول کانال آبگیر به ترتیب 25 سانتیمتر و 2/5 متر میباشد - شکل. - 2 لازم به ذکر است که موقعیت آبگیر و زاویه انحراف آبگیر بر اساس توصیه ارائه شده توسط دهقانی و همکاران - 1385 - انتخاب شده است.
دبی جریان ورودی توسط یک فلومتر اولتراسونیک که بر روی لولههای ورودی آب نصب شده است، اندازهگیری و با سرریز مثلثی استاندارد که در انتهای کانال اصلی وجود دارد کنترل می شود. عمق جریان در ورودی کانال اصلی با استفاده از دریچه پروانهای واقع در انتهای کانال اصلی تنظیم میگردد و با استفاده از یک عمقسنج دیجیتالی در ورودی کانال اندازه گیری میشود. دبی انحرافی کانال آبگیر نیز با استفاده از سرریز مثلثی که در انتهای حوضچه تخلیه آبگیر جانبی قرار دارد، تعیین می گردد. در ابتدای آزمایش، دریچه آبگیر را بسته، سپس با روشن کردن پمپ و باز کردن شیر آن، دبی ورودی40 لیتر بر ثانیه تنظیم شد.
سپس با تنظیم همزمان دریچه انتهای آبگیر و دریچه پروانه ای انتهای کانال اصلی، عمق بالادست حدود 15 سانتیمتر و دبی انحرافی برابر40 درصد دبی ورودی تنظیم شد. پس از آنکه شرایط جریان مورد نظر در کانال برقرار گردید، اندازهگیری سرعت آغاز میشود. میدان جریان در قوس و حول آبگیر جانبی با استفاده از سرعت سنج سه بعدی ADV اندازه گیری گردید. میدان جریان اندازه گیری شده شامل سه مولفه سرعت طولی - مماسی - ,U عرضی - شعاعی - V و قائم W می باشد. این سرعتسنج بر اساس پدیده داپلر عمل می کند.
شکل - - 2 مشخصات فلوم آزمایشگاهی
-4 معرفي نرمافزار SSIIM2
مدل SSIIM1 در سالهای 1990-91 نوشته شده است. این مدل توسط پروفسور السن در دانشگاه علوم تکنولوژی نروژ توسعه داده شده است. این برنامه در زمینه مهندسی رودخانه، محیط زیست، هیدرولیک و رسوب کاربرد دارد. مزیت اصلی این برنامه درمقایسه با دیگر برنامه هایی که بر پایه علم دینامیک محاسباتی جریان C.F.D ارائه شده است، قابلیت این نرم افزار در بررسی حرکت ذرات رسوب در بسترهای متحرک رودخانه و نیز مقاطع پیچیده هندسی میباشد.
در برنامه SSIIM معادله ناویر-استوکس با در نظر گرفتن مدل k- در یک محیط سه بعدی و شبکه غیر متعامد تحلیل میشود. در این تحلیل از روش حجم کنترل همراه با استفاده از طرح های قانون توانی و مرتبه دوم بالادستی استفاده میشود. برای جفتشدگی و همسانسازی فشارها از الگوریتم Simple استفاده میشود. دراین تحلیل از روشهای ضمنی برای تولید میدان سرعت در هندسه بهرهگرفته میشود.[13]
-4 -شرايط مرزي
یکی از تنظیمات اصلی مدل اعمال شرایط مرزی به مدل است. برای اعمال شرایط مرزی سرعت و آشفتگی در ورودی بالادست میدان، از شرط مرزی دیریکله استفاده شده، بدین معنا که مقادیر متغیرها در مرز معین میباشند. اعمال این شرایط در مدل SSIIM2، با دادن دبی و سطح آب در پایین دست و همچنین مشخص کردن عدد استریکلر اعمال میشود. مدل به این ترتیب و با استفاده از الگوریتم فشار و معادله برنولی، سطح آب در ورودی بالادست میدان را پیدا کرده و سرعت ورودی معین را به بالادست اعمال مینماید.
در مرز خروجی، برای تمام متغیرها شرایط مرزی گرادیان صفر اعمال میشود. با توجه به طول مسیر مستقیم 5/2 متر بعد از قوس در پایین دست به نظر میرسد، شرط عدم تغییر مشخصات جریان در جهت عمود بر مرز خروجی با این طول در مقطع خروجی حاصل شود.[14] در سطح آب نیز، شرط مرزی گرادیان صفر برای تمام متغیرها به جز انرژی جنبشی اعمال شده و برای پارامتر مزبور نیز در سطح آب مقدار صفر اعمال میشود. برای شرایط مرزی جداره، SSIIM از قانون جداره برای مرزهای زبر در سلولهای مجاور جداره استفاده میکند.
-3-4 شبكه بندي ميدان جريان
در این تحقیق با استفاده از مدل SSIIM2 هیدرولیک جریان در قوس 180 درجه با آبگیر جانبی در موقعیت 115 درجه قوس با زاویه آبگیر 45 درجه شبیهسازی گردیده است. مشبندی منطقه مورد مطالعه بسیار حائز اهمیت میباشد. زیرا نحوه مشبندی در سرعت همگرا شدن و دقت نتایج بسیار حائز اهمیت میباشد. بنابراین با توجه به اهمیت نقاط مختلف کانال مشبندی متفاوت انجام شده است.
