بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر به دلیل افزایش ارتفاع سدها و هم چنین به واسطه ی آن افزایش سرعت جریان عبوری از روی سرریز، یکی از خطراتی همواره سلامت سد راتهدید می کند کاویتاسیون می باشد که اثرات تخریبی قابل ملاحظه ی بر روی سازه می گذارد.
در این پژوهش جریان بر روی سرریز سد داریان با استفاده از نرم افزار FLOW-3D و با به کارگیری مدل آشفتگی - RNG - k- مورد بررسی قرار گرفت که سه نقطه بحرانی بر روی سرریز که دارای سرعت بالای 25 متر بر ثانیه و مقدار کاویتاسیون کمتر از شاخص کاویتاسیون بوده، شناسایی شد.
با قرار گیری سه هواده در بالا دست نقاط بحرانی خطر وقوع پدیده کاویتاسیون کاهش یافت. در نهایت نتایج مدل عددی را با نتایج مدل فیزیکی مقیاس 1:50 سرریز سد داریان ساخته شده در موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو، مورد مقایسه قرار گرفت که از تطابق قابل قبولی برخوردار بود.
-1 مقدمه
برای عبور آب های اضافی و سیلاب ها از سراب به پایاب سدها از سازه ای به نام سرریز استفاده می شود. یکی از ساز های مهم هر سد را سرریز تشکیل می دهد. با توجه به حساس بودن کاری که انجام می دهد، سرریز باید سازه ای قوی، مطمئن و با راندامان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهره برداری آمادگی داشته باشد. رایج ترین نوع آن سرریز اوجی می باشد. ایمنی سرریز اوجی به دلیل توانایی بالا برای عبور جریان به طور موثر و هم چنین رفتار فوق العاده هیدرولیکی آن، یکی از بیشترین سازه های هیدرولیکی مورد مطالعه است. در سرعت های زیاد همراه با فشار های کم، پدیده مخرب کاویتاسیون بر روی سطح سرریز ایجاد می شود، این پدیده آسیب های جدی و جبران ناپذیری به سازه وارد می کند.
در این پژوهش به بررسی جریان بر روی سرریز سد داریان با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است. شبیه سازی جریان با نرم افزار FLOW-3D برای بررسی مشخصات هیدرولیکی نقاط بر روی سرریز صورت گرفته است.
-2 پیشینه تحقیق
پیترکا در سال 1935 نتایج تحقیقات خود را درباره هوادهی و نقش آن در کاهش خطر وقوع کاویتاسیون ارائه نمود. او نیز ثابت کرد که غلظت هوای 2 درصد کاویتاسیون را کاهش و همچنین غلظت هوای متوسط 5 تا 8 درصد تقریبا خطر کاویتاسیون را به طور کامل از بین می برد. این مخلوطه - وجود هوا در آب - حاصله تراکم پذیر بوده و موجب تضعیف فشار های ناشی از متلاشی شدن حباب ها می گردد. بررسی های آزمایشگاهی نشان می دهد که می توان از آسیب ها در ناحیه آب خالص در سرعت های 12 تا 15 متر بر ثانیه وتا سرعت 20 متر بر ثانیه جلوگیری نمود و یا سطوح نهایی را با استفاده از مصالح مقاوم بهبود بخشید .
کاسیدی در سال 1966 نشان داد در هواگیری طبیعی، اگر مقدار کافی هوا وارد جریان شود، سطح را از آسیب های ناشی از کاویتاسیون محافظت می کند. باید در نظر داشت این امر ممکن است باعث افزایش عمق و سطح جریان شود .[3] فورستر و اندرسون در سال 1969 یک مدل هیدرولیکی را برای سرریز کارون 1 به منظور مطالعه ی خوردگی در مقیاس 1:80 ساختند. آن ها هیچ گونه فشار کمتر از اتمسفر مشاهده نکردند، ولی فشار پایین در بعضی قسمت های سرریز را که منطبق با موقعیت خوردگی در نمونه ی اصلی است یادآور نمودند. آن ها نتیجه گرفتند که فشار های پایین برای سرعت های بیش از 40 متر بر ثانیه حاصل می شوند
جانسون آزمایش ها را روی مدل سرریز سد کلاید با مقیاس 1:15 با شیب 52/33 درجه انجام داد. در مدل تهیه شده اعداد فرود بین 3 تا 25 و با سرعت های متوسط اولیه جریان از 3 تا 14 متر بر ثانیه بودند. با تنظیم دریچه در ورودی مجزا، عمق اولیه جریان بین 20 تا 120 میلی متر بود و ساختار اولیه هواده شامل یک رمپ با شیب 5/7 درجه، ارتفاع 30 میلی متر، طول 300 میلی متر و افست با ارتفاع 30 میلی متر بود.
وضعیت هندسی سرریز مدل مشابه مدل مورد استفاده لوی در سال 1986 بود. حالت دوم رمپ نداشت و دارای یک افست با ارتفاع 30 میلی متری بود .[5] آرامی فدافن و اژدری مقدم در سال 2011 تاثیر هوادهی در کاهش اثرات مخرب کاویتاسیون را بر روی سرریز سد شهید عباسپور با استفاده از نرم افزار FLUENT مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید در محل تحدب پروفیل سرریز فشار از فشار بخار آب کمتر می شود در نتیجه وقوع کاویتاسیون از این نقطه شروع می شود. او هم چنین دریافت، میزان اغتشاش در امتداد طول سرریز از نیروهای کشش سطحی کمتر است و هواگیری سطحی بر روی لایه های زیرین جریان تاثیرگذار نیست .[6] عرفانی و همکاران در سال 2013 با نرافزار FLOW-3D روی محل نصب هواده در سرریز گتوند کار کردند که نتایج نشان داد نرم افزار تطابق خوبی با نتایج مدل فیزیکی دارد و چهار کانال هواده راست وچپ برای پیشگیری از کاویتاسیون کافی است
-3 مدل مورد مطالعه
مدل مورد مطالعه این پژوهش سرریز اوجی سد داریان که یک سد خاکی ساخته شده بر روی رودخانه سیروان در نزدیکی شهر نودشه، 25 کیلومتری شمال غرب شهرستان پاوه و 150 کیلومتری کرمانشاه و در مجاورت روستای داریان می باشد. تاج سد داریان در استان کرمانشاه و مخزن آن در استان کردستان قرار دارد.
جمع آوری رودخانه سیروان به منظور استفاده انرژی برقآبی، انتقال آب به حوزه های آبریز مجاور از جمله به دشت های نواحی گرمسیری از طریق تونل نوسود به منظور استفاده کشاورزی در حوزه های آبریز رودخانه های این مناطق و حقابه های پایین دست سد، از جمله اهداف ساخت این سد می باشد. از ویژگی های این سد می توان به استفاده از هسته رسی نفوذ ناپذیر مایل در سد، انجام عملیات خاکریز حدود 11 میلیون متر مکعب بدنه و عملیات موفقیت آمیز نجات بخشی چشمه بل قبل از آبگیری مخزن اشاره کرد.
-4 معادلات حاکم
مدل FLOW-3D از معادلات ناویر استوکس و معادلات بقای جرم برای شبیه سازی استفاده می کند. معادلات بقای جرم برای جریان تراکم ناپذیر به صورت معادلات - 1 - و - 2 - که به ترتیب نشان دهنده معادله پیوستگی و معادله مومنتوم می باشد:
-4 مشخصات میدان حل
در این پژوهش برای صحت سنجی داده ها، از مدل فیزیکی مقیاس1:50 سد داریان که در موسسه تحقیقات آب ایران از جنس پلکسی ساخته شد، استفاده شده است .[8] سرریز آن از نوع اوجی آزاد به طول 448 متر، عرض 68 متر و تراز آستانه سرریز 826 متر می باشد.
به دلیل کمتر بودن تعداد مش های ساختار یافته نسبت به مش های بی ساخت و منظم بودن بودن هندسه سرریز سد داریان، هم چنین با توجه به سه بعدی بودن مدل از مش ساختار یافته شش وجهی با اندازه ی یکسان استفاده شده است. در این پژوهش از مش با اندازه 0/75متر به عنوان مش بهینه برای دبی 4000 متر مکعب بر ثانیه که تعداد سلول آن برابر با 2688082 برای شبکه ی جریان بهره گرفته شده است.
