بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از راههای کاهش ورود رسوبات به آبگیر استفاده از صفحات مستغرق می باشد. صفحات مستغرق به علت آنکه جریان ثانویه در اطراف آنها بوجود میاید رسوبات را از جلوی دهانه آبگیر دور کرده و باعث کاهش ورود رسوبات به آبگیر می شوند.
در این پژوهش ، به مطالعه عددی تاثیر برخی از پارامترهای صفحات مستغرق شامل زاویه قرار گیری صفحات مستغرق و نحوی قرارگیری دو صفحه مستغرق نسبت به هم در آبگیری جانبی با استفاده از نرم افزار FLOW-3D پرداخته شده است. نتایج نشان داد از بین زوایای ، ، و درجه صفحات مستغرق، زاویه درجه کمترین رسوب ورودی به آبگیر را خواهد داشت. همچنین نتایج نشان داد حالتی که دو صفحه مستغرق نسبت به هم فاصله عرضی داشته باشند، نسبت به حالتی که در یک راستا قرار میگیرند، نقش بهتری را در کاهش رسوب ورودی ایفا میکنند و رسوب کمتری را وارد آبگیر میکنند.
.1 مقدمه
جریان انحرافی یا بصورت طبیعی در رودخانه مئاندری به وجود میآیند و یا بصورت مصنوعی و به شکل آبگیری از رودخانهها و کانالها ایجاد میشوند. در ایران از آبگیریهای رودخانهای به طور گسترده برای تامین آب استفاده شده است. اما به دلایل مختلف، بسیاری از این آبگیرها زیر بار رسوبات مدفون شدهاند. بنابراین برای به حداقل رساندن خطرات ناشی از ورود رسوبات بایستی نوع الگوی جریان در اطراف آبگیر به خوبی مورد بررسی قرار گیرد تا بتوان تمهیداتی را درجهت کاهش ورود رسوبات به آبگیر اعمال کرد.
رادکیوری با انجام تحقیقات روی قوس 180 درجه و با تغییر محل قرارگیری آبگیر به این نتیجه رسید که زاویه 105- 110 درجه از نظر کاهش میزان رسوب به دهانه آبگیر، مناسب است.[1] در حالی که رزوان زاویه 95-120 درجه را مناسبترین زاویه توصیه میکن
ایزدپناه و صالحی نیشابوری با انجام تحقیقات آزمایشگاهی برروی قوس 90 درجه و با تغییر محل قرارگیری آبگیر به این نتیجه رسیدند که موقعیت 75 درجه در قوس نسبت به 65 و 70 درجه رسوب کمتری را منحرف خواهد نمود
فرهودی و همکاران به مطالعه آزمایشگاهی ساختار الگوی جریان انحرافی به دهانه آبگیر جانبی با زاویه 90 درجه و مقدار رسوب ورودی به آن در بندهای انحراف آب پرداختند. ایشان به این نتیجه رسیدند که مقدار رسوب ورودی به دهانه آبگیر با افزایش دبی نسبی آبگیری افزایش مییابد. همچنین با افزایش عمق نسبی جریان در رودخانهها میزان رسوب ورودی به آبگیر افزایش مییابد.
عباسی و قدسیان به مطالعه آزمایشگاهی کنترل رسوب در آبگیرهای جانبی در مسیر مستقیم پرداختند. ایشان به این نتیجه رسیدند که تاثیر نسبت دبی آبگیری بر میزان رسوب ورودی به آبگیر بیشتر از سایر عوامل است.
رحمانی و صالحی نیشابوری به بررسی عددی اثر زاویه کانال انحرافی بر میزان رسوب انحرافی پرداختند. ایشان به این نتیجه رسیدند که با کاهش نسبت دبی انحرافی میزان رسوب ورودی به آبگیر کاهش می یابد. همچنین از بین زاوایای آبگیری 45، 60 و 75 درجه، در زاویه 45 درجه میزان رسوب ورودی به آبگیر کمترین مقدار را دارد.
یکی از راههای کنترل رسوب ورودی به آبگیر استفاده از صفحات مستغرق میباشد. اویانگ و لی در سال 2013 در راستای مدیریت رسوب در رودخانه ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک به بهینه سازی طراحی یک صفحه مستغرق پرداختند. ایشان به این نتیجه رسیدند که طراحی و عملکرد بهینه یک صفحه مستغرق به عواملی چون نیروهای لیفت و درگ بستگی دارد
اویانگ و لین در سال 2015 به بررسی تاثیر شکل و آرایشهای مختلف صفحات مستغرق در یک ردیف پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که عملکرد دو صفحه مستغرق دریک ردیف مشابه نبوده و همچنین تاثیر شکل صفحات برعملکردشان به فاصله جانبی صفحات از یکدیگر بستگی دارد
داوودی و شفاعی بجستان در سال 2012 به مطالعه آزمایشگاهی تاثیر صفحات مستغرق بر راندمان آبگیری پرداختند. نتایج پژوهش این محققین نشان داد که عملکرد صفحات مستغرق به عواملی چون نسبت ارتفاع صفحه مستغرق به عمق جریان، فاصله بین صفحات و زاویه قرارگیری صفحات مستغرق بستگی دارد. با وجود این مطالعات، اثر صفحات مستغرق بر جریان انحرافی و دبی ورودی به کانال جانبی هنوز به خوبی توصیف نشده است. به بیان دقیقتر اثر تعداد صفحات مستغرق و نیز نحوه چیدمان صفحات مستغرق بر خصوصیات هیدورلیکی جریان و میزان رسوب ورودی به آبگیر مشخص نگردیده است
در مطالعه حاضر به بررسی اثر صفحه مستغرق بر شرایط جریان و میزان رسوب انتقالی پرداخته میشود. به جهت شبیهسازی از مدلسازی عددی بهره برده شد که در ادامه این سیستم مدلسازی معرفی میگردد.
.2 مواد و روشها
در این پژوهش برای شبیه سازی عددی از نرمافزار FLOW-3D استفاده شده است. این مدل نرم افزاری برای تحلیل دو بعدی و سه بعدی جریان سیال و نیز انتقال حرارت در هندسههای پیچیده توسعه داده شده و برای شبیه سازی جریان از حل عددی معادلات ناویر- استوکس استفاده می گردد. معادلات یاد شده برای سیال غیرقابل تراکم در سیستم مختصات کارتزین ودر حالت متوسطگیری شده در زمان برای جریانهای آشفته - معادلات رینولدز - به شکل زیر است
که در آن مولفه سرعت در جهت i ، 3 S/ +2N/3 که در آن p فشار و k انرژی جنبشی آشفتگی است، لزجت سینماتیک بوده و عبارت به عنوان تنشهای رینولدز شناخته میشود. این معادلات دارای چهار مجهول اصلی مولفههای سرعت در سه جهت و فشار است. از طرفی ترم شش مجهول به تعداد مجهولات اضافه میکند. پس لازم است تنشهای رینولدز با مدل آشفتگی مناسب محاسبه شوند.
در نرم افزار FLOW-3D از پنچ مدل آشفتگی استفاده شده است که عبارت اند از : طول اختلاط پرانتل، یک معادله ای، دو معادله ای k-، مدلهای RNG و مدل شبیه سازی گردابه های بزرگ. طبق مطالعات انجام شده توسط Mehnifard et al مدل آشفتگی RNG ، مدل مناسبی نسبت به سایر مدلها در شبیه سازی جریانهایی با هندسه مشابه کار حاضر است .[10] بنابراین در مطالعه حاضر از مدل آشفتگی RNG برای شبیه سازی عددی استفاده شده است.
.3 مشخصات دامنه محاسباتی
با توجه به پژوهش رحمانی و صالحی نیشابوری از بین زاوایای آبگیری 45، 60 و 75 درجه، در زاویه 45 درجه میزان رسوب ورودی به آبگیر کمترین مقدار را دارد .[6] در این پژوهش به بررسی تاثیر زاویه قرارگیری صفحه مستغرق و نحوی قرارگیری دو صفحه مستغرق در زاویه آبگیری 45 درجه پرداخته شد. شکل - 1 - نمایی شماتیک از میدان محاسباتی و شرایط مرزی را نشان میدهد. در جدول - 1 - مشخصات هیدرولیکی، رسوب و صفحه مستغرق بیان شده است. که در آن V سرعت ورودی جریان، h ارتفاع جریان، H ارتفاع رسوب، D50 قطر متوس رسوب، Hv ارتفاع صفحه مستغرق روی رسوب، Lv طول صفحه مستغرق و Θ زاویه قرار گیری صفحه مستغرق میباشد.
شکل . - 1 - نمایی شماتیک از میدان محاسباتی و شرایط مرزی مدل مورد مطالعه
جدول - 1 - مشخصات رسوب و صفحه مستغرق
.4 اعتبار سنجی مدل عددی
برای ارزیابی و مقایسه نتایج عددی انتقال رسوب از نتایج آزمایشات انجام شده توسط فنراین استفاده شده است. در مطالعه آزمایشگاهی فنراین آب با سرعت 0/67 متر بر ثانیه به عمق0/25 متر ازیک فلوم آزمایشگاهی به طول 10 متر، عرض 0/5 متر و ارتفاع 0/5 متر که بستر آن با مصالح با قطر متوسط 230 میکرومتر پوشیده شده است، عبور داده شده است.
عبور جریان از روی بستر منجر به فرسایش بستر و ایجاد بار معلق رسوب در میدان جریان در کانال میشود. هدف از کاربرد مدل عددی در این بخش، شبیه سازی عددی توزیع غلظت رسوب در کانال و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی میباشد. در تحقیق حاضر از یک بلوک در نواحی مختلف میدان استفاده شده است. برای تعیین اندازه شبکهبندی، حساسیتسنجی روی اندازههای شبکه 1 ، 1/5 و 2سانتیمتر انجام گرفت. پس از مقایسه نتایج و نیز برای کاهش زمان مدلسازی، اندازه شبکه 1/5 سانتیمتر برای مدلسازیها انتخاب گردید. با اندازه شبکه 1/5 سانتیمتر تعداد سلول بکار رفته 100،872 خواهد بود. شکل - 2 - نمایی شماتیک از میدان محاسباتی و شرایط مرزی مدل مورد مطالعه را نشان میدهد.
شکل . - 2 - نمایی شماتیک از میدان محاسباتی و شرایط مرزی مدل مورد مطالعه
