بخشی از مقاله
خلاصه
پیش بینی رفتار رودخانه ها در قوس اهمیت زیادی دارد چرا که رودخانه ها در طبیعت اغلب دارای شکل قوسی بوده و به ندرت به شکل مستقیم دیده می شوند. قوس رودخانه به خاطر داشتن الگوی خاص جریانی بنام جریان حلزونی، همواره مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده است. در این تحقیق بررسی الگوی جریان آشفته در قوس 90 درجه با بستر صلب با استفاده از نرم افزار FLOW-3D و به روش حجم محدود صورت گرفته است. شبیه سازی سطح آزاد به روش VOF انجام شده و از مدل آشفتگی RNG k برای بستن معادلات ناویر استوکس استفاده شده است. شبکه بندی بصورت کارتزین انجام شده و میدان محاسباتی به سه بلوک تقسیم شده است. مقایسه نتایج نشان می دهد که این مدل عددی الگوی جریان در قوس را به خوبی مدل نموده و انطباق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند.
کلمات کلیدی: قوس 90 درجه ، الگوی جریان، شبیه سازی عددی، FlOW-3D
.1 مقدمه
فرآیند حرکت آب در رودخانه به دلیل متغیر بودن مشخصات اصلی آن از قبیل شیب بستر، شیب طولی، میزان زبری و شرایط حاکم برآن بسیار متغیر و پیچیده است. از آنجا که در طبیعت، مسیر رودخانه ها اغلب بصورت قوسی شکل است یا بعبارتی الگوی غالب برای شکل رودخانه در پلان پیچانرودی است، این پیچیدگی در قوس رودخانه ها به حداکثر خود می رسد. قوس رودخانه به خاطر داشتن الگوی خاص جریان بنام جریان حلزونی، همواره مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده است. با ورود جریان به قوس به علت انحنای جریان نیروی گریز از مرکز بر آن اثر میکند. نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب میشود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق می شود.
این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی، داخل مقطع شکل میگیرد که به جریان ثانویه موسوم است. جریان ثانویه یا حلزونی1 همان حرکت مارپیچی ذرات آب می باشد که جهت حرکت آن در جهت کلی جریان آب است. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات موجود در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می شوند. شکل - 1 - جریان ثانویه و طولی و نیز جریان ترکیبی چرخشی در یک قوس رودخانه را به طور شماتیک نشان می دهد.
شکری در سال 1950 برای اولین بار به بررسی الگوی جریان در قوس با استفاده از مدل فیزیکیبه بررسی الگوی جریان در قوس پرداخت. او مشاهده کرد که برای قوس با انحنای ملایم محل وقوع حداکثر سرعت در نیمه اول قوس به سمت جداره داخلی و برای با حرکت به سمت خروجی قوس به طرف جداره خارجی متمایل می شود .[1] رزوسکی با استفاده از یک فلوم آزمایشگاهی 180 درجه با نسبت شعاع به عرض 1 و با ورودی و خروجی مستقیم، توزیع سرعت، عمق آب و توزیع تنش را به دست آورد. طول این فلوم 6 متر و قسمت خروجی آن 3 متر بود. ایشان به بررسی اثر پارامترهای مختلف پرداخت اما از اثر دیوارهای کانال مستطیلی بر روی جریان های عرضی چشم پوشی کرد و نتایج آزمایش های خود در نزدیکی دیواره را غیر قابل اطمینان بیان کرد.
وی همچنین به بسط ریاضی جریان در قوس رودخانه پرداخت و توزیع سرعت های طولی و عرضی را به دست آورد.[2] لین و همکاران - 1999 - به بررسی الگوی جریان در قوس90 درجه و180 درجه با استفاده از مدل دو بعدی متوسط گیری شده در عمق پرداختند. برای قوس90 درجه، نتایج اندازهگیری حاکی از آن است که اندازه مؤلفه اصلی سرعت در نزدیکی دیواره خارجی در طول کانال افزایش مییابد و به خاطر خاصیت انتقال جانبی مومنتوم طولی توسط جریان ثانویه، اندازه سرعت در طول دیوار خارجی بیشتر از دیواره داخلی است.[3] بلانکارت وگراف در سال 2001 به بررسی الگوی جریان در یک قوس ملایم با زاویه 120 درجه با بستر متحرک پرداختند.[4]
در سال 2005 اولسن و همکارانش به بررسی یک مدل عددی سه بعدی انتقال رسوب در یک کانال 90 درجه پرداختند.[5] در سال 2010 ناجی ابهری و همکارانش به بصورت آزمایشگاهی و با استفاده از مدل عددی توزیع سرعت در خم 90 درجه را مورد بررسی قرار دادند .[6] قدسیان و همکاران - 1387 - ، با انجام یک سری آزمایشات در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس تهران بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در یک خم 90 درجه را انجام دادند. آنها نتایج بدست آمده در خصوص تغییرات موقعیت سرعت ماکزیمم و مقدار تنش برشی ماکزیمم در قوس 90 درجه و برای سه مقدار دبی 15،30 و45 لیتر بر ثانیه را ارائه نمودند.
نتایج نشان میدهد که محدوده سرعتهای ماکزیمم تا زاویه 45 درجه در نزدیکی دیواره داخلی قرار دارد و از 45 درجه به بعد به طرف میانه کانال منحرف میشود و همچنین نسبت تنش برشی در قوس به تنش برشی در مسیر مستقیم بین 0,9 تا 1,2 متغییر است . [7] واقفی و همکاران نیز - 1387 - بصورت آزمایشگاهی به بررسی جریان سه بعدی و آب شستگی در قوس 90 درجه پرداختند.[8]هدف از تحقیق حاضر شبیه سازی الگوی جریان در قوس 90 درجه با استفاده از نرم افزار FLOW-3D می باشد. در این مدلسازی شبکه بندی بصورت کارتزین و چند بلوکی انجام می شود. از مدل آشفتگی RNG k نیز جهت بستن معادلات ناویر استوکس استفاده شده است. سپس جهت صحت سنجی مدل نتایج بدست آمده از شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شوند.
.2 مشخصات میدان حل و شبکه بندی آن
کانال مورد بررسی در این مقاله کانالی با قوس 90 درجه است که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس تهران آزمایشات مربوط به بررسی الگوی جریان در آن انجام شده است. شکل - 2 - پلان و هندسه قوس مورد نظر را نشان می دهد. این کانال متشکل از یک قسمت مستقیم به طول 7/1 متر در بالادست و قسمت مستقیمی در پایین دست به طول 5/2 متر است که رابط این دو مسیر مستقیم به هم یک قوس 90 درجه با شعاع انحنا داخلی2/1 متر و شعاع انحنا خارجی 2/7 متر می باشد. نسبت شعاع قوس به عرض کانال برابر 4، ارتفاع آن 70 سانتی متر و عرض آن 60 سانتی متر است. شیب کف 0/001 می باشد و کف این کانال از رسوبات فریز شده با قطر متوسط معادل 1/28 میلی متر و با انحراف معیار 1/3 میلی متر تا عمق 35 سانتی متری پوشیده شده است. دبی ورودی جریان 25 لیتر بر ثانیه می باشد.کار آزمایشگاهی این کانال توسط واقفی - 1387 - به انجام رسیده ودر این مقاله ازنتایج آزمایشگاهی به دست آمده برای صحت سنجی نتایج عددی استفاده شده است. در شکل 3 نقاط برداشت داده های آزمایشگاهی در یک مقطع عرضی از کانال نمایش داده شده است.
1-2 حل عددی معادلات
همانطور که اشاره شد جهت حل معادلات از نرم افزار تحلیل جریان FLOW-3D استفاده شده است. FLOW-3D کل میدان جریان را بصورت حجم کنترلهای مجزا در نظر می گیرد، از معادلات حاکم بر جریان سیال روی هر حجم کنترل انتگرال گرفته و با استفاده از طرحهای مختلف انفصال، معادلات جبری منفصل می شوند. برای بستن معادلات ناویر استوکس از مدل آشفتگی RNG k استفاده گردیده است . به منظور تهیه هندسه میدان جریانی از نرم افزار AUTO CAD استفاده شده است.در شکل 3 هندسه تهیه شده در نرم افزار AUTO CAD نمایش داده شده که جهت انجام شبیه سازی عددی بصورت فایل STL به نرم افزار FLOW-3D معرفی می شود.
.2-2 مش بندی
مش بندی این کانال قوسی به روش چند بلوکی و به صورت غیر یکنواخت انجام شده است. از 3 بلوک در مسیر مستقیم بالادست کانال، قوس 90 درجه و مسیر مستقیم پایین دست استفاده شده است. - شکل - 4
