بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از عوامل مهم در طراحی سازههای آبی، فشارهای دینامیکی وارد شده توسط برخورد سیال با سرعت زیاد است که در صورت عدم مهار آن خسارات زیادی به شبکه وارد میکند. برای رفع این مشکل، سازههای مستهلک کننده انرژی آب نظیر حوضچههای استغراق سدها، منهولهای شبکه فاضلاب، دراپشفتهای شبکههای آبرسانی شهری و... جهت کاهش سرعت سیال مورد استفاده قرار میگیرند. جریان با سرعت بالا وارد این سازهها شده و با برخورد به بالشتک آب، سرعت و در نتیجه انرژی خود را از دست میدهد.
برای بررسی میزان استهلاک انرژی آب در این سازهها و طراحی بهینه ابعاد و اندازه آنها نیاز به ساخت مدلهای آزمایشگاهی دقیق و صرف هزینههای بالا برای اندازه گیری سرعت و انرژی سیال در نقاط مختلف سیستم است.
هدف این مقاله شبیهسازی عددی این سازهها در نرمافزار Flow-3D و انطباق نتایج حاصله با نتایج بدست آمده از سه مدل آزمایشگاهی پیشین است. نتایج این تحقیق نشان داد که انطباق خوبی بین نتایج شبیهسازی عددی با مدلهای آزمایشگاهی آنها وجود دارد که به معنی امکان بررسیهای دقیقتر این سازهها در مدت زمان کوتاه همراه با هزینه بسیار کمتری توسط شبیهسازی عددی است.
.1 مقدمه
سازههای مستهلک کننده انرژی جریان، نقشی اساسی در حفظ ثبات و ایمنی سیستمهای آبی ایفا میکنند، در این سازهها جریان پس از ورود با سرعت بالا در دو حالت مستغرق یا غیر مستغرق وارد حوضچه شده و انرژی مازاد به وسیله اصطکاک و ایجاد جریان متلاطم و نوسانی از بین میرود .[1] این استهلاک در سازههایی نظیر آدمروهای کانالهای انتقال آب [2] و یا شیبشکنهای شبکههای انتقال آب شهری [3] که فاصله نقطه ورودی تا خروجی جریان کوتاه است، بیشتر بوده و به دلیل محدود بودن هندسه سازه، سیال با برخورد با دیوارههای حوضچه باعث به وجود آمدن گردابههایی خواهد شد. این گردابهها با حرکت به سمت بالای حوضچه باعث بهبود روند کاهش جریان ورودی میگردند. مقدار دبی، عمق حوضچه، ابعاد آن و محل ورود جریان به سازه از عوامل موثر بر رژیم جریان خروجی هستند. در شکل-1 دو رژیم جریان تحت بحرانی و فوق بحرانی در یک آدمروی شبکه انتقال آب شهری مشاهده میگردد
یکی از پارامترهای مهم در بررسی سازههای مستهلک کننده انرژی، بحث محل ورود سیال به داخل سازه است، که خود عامل اصلی تعیین کننده ظرفیت سازه در کاهش انرژی سیال است .[4] به طور مثال در شکل-2 چنانچه در یک حوضچه لوله ورودی و خروجی سیال دقیقا در یک راستا باشند، با ایجاد یک خروج از مرکزیت کوچک به اندازه قطر لوله - d - ضریب افت موضعی سازه معادل 1/33 خواهد بود و چنانچه خروج از مرکزیت تا دو برابر قطر لوله افزایش یابد مشاهده میشود که ضریب افت موضعی حتی به 1/39 نیز خواهد رسید
شکل-:1 ایجاد دو رژیم جریان متفاوت در خروجی سازه بر اساس عوامل مؤثر بر آن
طبق مطالعات صورت گرفته در رابطه با این سازهها، با محدود کردن ابعاد حوضچه به نسبتهای معین و افزایش امکان ایجاد گردابه در آن، جریان ورودی دچار افت انرژی بیشتری شده و بازدهی سازه افزایش مییابد. حال چنانچه در این محیطهای محدود شده محل مناسب ورود جریان بررسی و انتخاب گردد، میتوان انتظار افزایش بیش از پیش بازده سازه را داشت
شکل-:2 تغییر ضریب افت موضعی انرژی بر اساس میزان خروج از مرکزیت لوله ورودی و خروجی
با توجه به مروری بر تحقیقات گذشته، تحقیقات انجام شده در مورد توسعه جتها در محیطهای محدود، کم بوده و هنوز در مراحل ابتدایی است. لذا در این مقاله به بررسی و شبیه سازی کامپیوتری سه مدل آزمایشگاهی توسعه جتها در محیطهای محدود پرداخته میشود.برای این منظور از سه مدل عددی استفاده شده و نتایج آن با نتایج ارایه شده توسط محققین پیشین مقایسه میگردد. هر سه مدل دارای یک لوله ورودی جریان به صورت مستغرق و قائم به داخل حوضچه هستند . به منظور بررسی و رفتارشناسی سیال در مدلهای یاد شده ورودی لوله در سه مکان متفاوت نسبت به خط مرکز محیط محدود نصب میگردد. لوله خروجی در هر سه مدل مکان ثابتی داشته و در تراز کف حوضچه قرار دارد
هدف از انجام این مقاله صحتسنجی دادههای این مدلهای آزمایشگاهی با خروجی نرمافزار Flow-3D [8] و امکانسنجی مدل-سازی این نوع جریانهای پیچیده با استفاده از این نرمافزار است. چنانچه خروجی اطلاعات و داده های آزمایشگاهی تطبیق قابل قبولی داشته باشند، این امکان وجود دارد تا در مدت زمان بسیار کمتر و بدون صرف هزینههای بالای مدلسازی آزمایشگاهی، به بررسی این سازهها پرداخت و تحقیقات آینده را با استفاده از این نرمافزار انجام داد.
.2 مدلهای آزمایشگاهی بررسی شده
اطلاعات آزمایشگاهی این تحقیق ازمرجع [4] استخراج شده است. هر سه مدل آزمایشگاهی مورد بررسی دارای محفظهای مکعبمستطیل شکل به طول و عرض L=0/38 m و ارتفاع H=0/98 m هستند. جریان آب مطابق شکل-3 از سه موقعیت الف - مرکز ب - دیواره متصل به لوله خروجی ج - دیواره روبهروی لوله خروجی، وارد محفظه میگردد. قطر تمامی لولههای ورودی و خروجی ثابت و معادل 0/152 m است. فاصله نقطه ورودی جت آب تا کف حوضچه برابر 0/882 متر بوده و به دلیل استغراق کامل آن از تاثیرات هوا صرف نظر شد
شکل-:3 محل ورود جت آب در مدلهای آزمایشگاهی، الف - مرکز محفظه، ب - دیواره متصل به لوله خروجی، ج - دیواره روبهروی لوله خروجی
دستگاه مختصات سهبعدی برای هر سه مدل به گونهای انتخاب شده است که جریان در جهت مثبت محور x وارد محفظه شود و نقطه x=0 در انتهای لوله ورودی جت آب به محیط محدود قرار گرفته است. برای بیبعدسازی فاصله از مرکز مختصات، در فاصله نقطه مورد بررسی از قطر لوله ورودی - d - استفاده شد. برای تطبیق و صحتسنجی نتایج مدل آزمایشگاهی و مدل شبیهسازی شده، دو پارامتر حداکثر سرعت سیال در امتداد محور مرکزی جت - um0 - و دیگری آشفتگی جریان - u’rms - در همان امتداد مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفتند، دلیل این انتخاب را میتوان ارتباط مستقیم انرژی جریان با این دو پارامتر عنوان کرد.
