بخشی از مقاله
چکیده
جام های پرتابی جهت استهلاک انرژی جریان با سرعت بالا، در پایانه سرریزها و تخلیه کننده تحتانی سدها مورد استفاده قرار می گیرند. Hager و Heler در سال 2008، ایده تبدیل جام پرتابی با کف دایره ای را به جام پرتابی مثلثی مطرح نمودند. کف این جام بدون انحنا و به صورت تیغه ای است که با راستای افق زاویه می سازد. در این پژوهش بر روی جام مثلثی، از تیغه منحرف کننده - Deflector - برای هدایت جریان پرتابی به سمت محور رودخانه استفاده شده است. در این راستا، توزیع فشار وارد بر کف جام و مسیر فوران پرتابی حاصل از آن، مورد ارزیابی قرار گرفته است.
با استفاده از نرم افزارFLOW-3D معادلات ناویر استوکس در حالت دو بعدی و برای جریان آشفته حل شده اند. بدین ترتیب جهت مدل سازی آشفتگی از مدل عددی RNG و برای شبیه سازی هندسی از روش VOF استفاده گردیده است. در صحت سنجی نتایج، ابتدا نتایج حل عددی با داده های تجربی حاصل از آزمایشات - Heller Hager , 2008 - مقایسه شده و پس از راستی آزمائی مدل عددی، سازه تیغه بر روی مدل جام پرتابی مثلثی قرار گرفته است. در این تحقیق، با بررسی تغییرات فشارهیدرودینامیکی وارد بر کف جام و ارزیابی برد پرتابی، به دستاوردهای جدیدی دست خواهیم یافت.
-1 مقدمه
سازه جام پرتابی - Flip Bucket - به منظور مستهلک نمودن انرژی حاصل از جریان های سرریز - Spillway - که با سرعت حدود 20-15 m/s در حرکت می باشند مورد استفاده قرار می گیرد. [1] این روش، با صرفه ترین و موثرترین راه حل در جهت کاهش انرژی جریان سرریز است. با بهره گیری از تیغه منحرف کننده در سازه جام پرتابی، آشفتگی جریان که در اثر بروز امواج ضربه ای بروز نموده است، به طور قابل توجهی افزایش استهلاک انرژی را باعث می گردد. در فوران پرتابی - Flip Jet - ، مقاومت هوا و هوای ایجاد شده توسط آن، بخش قابل توجهی از انرژی را قبل از ورود به پایاب مستهلک می نمایند. [2] شکل های خاص جام نیز در افزایش پراکندگی فوران و ازدیاد حباب هوا نقش موثری را دارا می باشند. این اشکال می توانند به صورت موارد ذیل باشند:
- پراکنده کننده فوران
- جام های مضرس
- جام های دندانه دار
- تیغه های شکافنده
در سرریزهای شوت باریک، تیغه منحرف کننده ساده - Deflector - بر روی یکی از دو طرف جام نصب می شود. [1] اگر شوت سرریز به صورت گسترده باشد و یا مقدار انحراف مورد نیاز در آن بیش از اندازه بزرگ باشد، انحراف توسط تیغه منحرف کننده صورت می گیرد . در این حالت، شوت در پلان به صورت منحنی طراحی می شود که خود مستلزم ارائه ارتفاعی بلند است که بتوان از توزیع مساوی دبی در سرتاسر عرض اطمینان حاصل نمود. برای سرریزهای گرانشی شیب دار که عریض می باشند، اعمال انحراف جریان نیازمند اتخاذ تدابیر دقیق است. در برخی پروژه ها، محور سرریز اصلاح می گردد و هدایت فوران به گونه ای است که در خط اصلی مسیر رودخانه قرار می گیرد. چنانچه این امر میسر نباشد به یکی از دو روش زیر عمل می گردد: [2]
الف - دیوارهای تقسیم کننده مابین تاج و جام با انحنای مورد نیاز و دیوارهای تقسیم کننده واقع در قسمت جام، به صورت مستقیم و بدون انحناء خواهند بود.
ب - دیوارهای تقسیم کننده تا قبل از جام، بر مسیر مستقیم و در ناحیه جام با اعمال انحنای مورد نیاز اجرا می شوند. پس از انجام مطالعات مشخص گردید که روش - ب - عملکرد بهتری را برای شرایط جریان دارا می باشد. بدین ترتیب، فشار وارد بر سطح سرریز و دیوارهای تقسیم کننده به صورت افزایش فشار متوسط بوده و کاهش خلاءزائی - Cavitation - را در پی خواهد داشت.
جام دندانه دار - Soild flip bucket - ، شکل خاص دیگری از جام های پرتابی می باشد که در آن فوران در ناحیه نسبتا بزرگی توزیع می شود و افزایش حباب هوا و کاهش عمق آبشستگی - Scouring - پائین دست را در پی دارد. سال 1990 در سد - Chili - مابین جام دندانه دار با دو تراز مختلف و جام دندانه دار با سه تراز متفاوت، مقایسه ای صورت پذیرفت. که در نهایت، جام با سه تراز از نظر راندمان کاهش انرژی و آبشستگی در پائین دست، انتخاب و اجرا گردید. [2]
- تعیین حداکثر فشار و مکان آن در کف جام پرتابی و بررسی سایر مشخصات هندسی. [4]
- مقایسه مشخصات هیدرولیکی جام پرتابی مثلثی با جام پرتابی دایره ای. جام پرتابی مثلثی به دلایل سهولت در اجرا و طراحی سه بعدی مناسب، به عنوان جایگزین مناسبی برای جام پرتابی دایره ای معرفی شد. کف این جام بدون انحنا و به صورت تیغه ای است که با راستای افق زاویه می سازد. [5]
- مطالعه پروفیل فوران پرتابی از جام مثلثی با کانال منشوری و اثر شعاع جام و عدد فرود. [6]
- تحقیق در نحوه انتقال هوا به جام مثلثی بدون تیغه و با تیغه منحرف کننده. [7]
- تعیین زاویه برخورد فوران عبوری از جام مثلثی با پایاب. این بررسی با منظور نمودن شیب تنداب، رابطه جدیدی را برای زاویه ارائه داده است. [8]
- شبیه سازی جام پرتابی مثلثی با نرم افزار .Fluent در این پژوهش مشخص گردید که روش عددی، جایگزین مناسبی برای روش تجربی است. [9]
-2 معادلات حاکم بر جریان
کلیه معادلات حاکم بر حرکت یک سیال تراکم ناپذیر در حالت آشفته، توسط معادلات ناویر استوکس بیان می شوند. معادلات پیوستگی - بقای جرم - و معادلات حرکت - بقای ممنتوم - به شرح ذیل می باشند: [10] بخش دیگری از تحقیقات به عمل آمده در زمینه جام های پرتابی عبارتند از:
- بررسی امواج ضربه ای در اثر تیغه های منحرف کننده. [1]
- مقایسه مشخصات هیدرولیکی جام پرتابی با و بدون تیغه منحرف کننده. [3]
