بخشی از مقاله
خلاصه
آبشکن ها از جمله سازه هاي هیدرولیکی هستند که به منظور جلوگیري از فرسایش ساحل رودخانه ها به کار می روند وبه همین دلیل آنالیز جریان و شناخت الگوي جریان در اطراف آبشکن ها از اهمیت بسیار زیادي برخوردار است.
در این مقاله با استفاده از شبیه سازي عددي و بهره گیري از نرم افزار FLOW- الگوي جریان در اطراف آبشکن مستقرق شبیه سازي شده است. این شبیه سازي بدون در نظر گرفتن سطح آزاد صورت پذیرفته و مدل آشفتگی مورد استفاده RNG k بوده است. بر اساس نتایج بدست آمده، پروفیل سرعت با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتا خوبی دارد.
.1 مقدمه
آبشکن ها از نوع سازه هاي هیدرولیکی چند کاره می باشند که براي اهدافی چون محافظت سواحل رودخانه از آبشستگی و جلوگیري از به وجود آمدن پدیده مئاندر، کشتیرانی و نیز لایروبی کاربرد گسترده اي دارند. نتیجه قرار گرفتن آبشکن ها در رودخانه ایجاد یک تنگ شدگی و باز شدگی جریان در رودخانه می باشد. به همین دلیل است که رسوبات همراه جریان در پشت و جلوي آبشکن با توجه به شکل و موقعیت قرارگیري آن ته نشین می گردند.
براي رسوب گذاري در ناحیه هاي ذکر شده احتیاج به یک جریان سه بعدي در اطراف آبشکن می باشد که گردابه هایی را در اطراف آن به وجود آورد. این گردابه ها باعث اتلاف انرژي و تغییر در سرعت جریان می شوند و در نتیجه در مرکز این گردابه ها که سرعت نزدیک به صفر است رسوبات ته نشین می شوند در این مقاله سعی شده است با استفاده از شبیه سازي عددي و بهره گیري از نرم افزار FLOW-3D رفتارجریان در اطراف آبشکن بررسی گردد.
تحقیقات مختلفی بصورت عددي و آزمایشگاهی در خصوص الگوي جریان حول آبشکن ها انجام شده است. Rajaratnam - 1983 - و Nwachhukwu تنش هاي برشی بستر را در اطراف آبشکن ها به صورت آزمایشگاهی براي درصد هاي تنگ شدگی 8 و16 درصد واعداد فرود مختلف اندازه گیري نمودند .آزمایشات آنها بیانگر افزایش قابل توجه تنش برشی بستر در نزدیکی دماغه پایین دست ودر همسایگی نزدیک آب شکن می باشد
Tingasnchali - 1990 - و Maheswaran از یک مدل متوسط گیري شده در عمق به صورت دو بعدي استفاده کردند و به اصلاح ضرایب مربوط در مدل عددي k سه بعدي به دلیل انحناء خطوط جریان در قوس اطراف آبشکن به منظور بهبود محاسبات تنش هاي کف پرداختند وبه این نتیجه رسیدند که این ضریب اثر بسیار زیادي بر میزان سرعت جریان دارد در حالیکه بر تنش برشی ماکزیمم در دماغه آب شکن تاثیر قابل توجهی ندارد
Soleiman et al - 1997 - به بررسی آزمایشگاهی وعددي تاثیر آب شکن بر روي مورفولوژي قوس هاي رودخانه ي نیل پرداختند و یک مدل دو بعدي در خصوص تاثیر آب شکن ومولفه هاي سرعت ارائه نمودند
Peng et al - 1997 - با ارائه یک مدل سه بعدي عددي به این نتیجه رسیدند که این مدل، الگوي جریان وویژگی هاي مهم جریان سه بعدي پشت آبشکن در مسیر مستقیم را به خوبی نشان می دهد.آنها گزارش کردند که اندازه گردابه در پشت یک آب شکن به طور تدریجی با نزدیک شدن به سمت بالاي آبشکن کم می شود
Daratus - 1997 - از یک مدل سه بعدي آشفته براي بررسی جریان در اطراف آبشکن و در لبه صلب براي سطح آزاد سه بعدي استفاده کردند. مدل سطح آزاد آنها از روش تحلیلی براي به دست آوردن سطح آزاد استفاده شده است. این مدل نشان داد که در نزدیکی ناحیه دماغه آبشکن که ناحیه مورد توجه براي محاسبات آبشستگی موضعی است هیچگونه تناقضی بین مدل هاي سطح آزاد ولبه صلب وجود ندارد
Tominaga et al. - 2001 - به مقایسه سرعت همراستا با جریان حول آبشکن هاي مستغرق و غیر مستغرق پرداختند Mioduszewski et al. - 2003 - .[6] .در یک مدل آزمایشگاهی اثر نفوذپذیري آبشکن روي ساختار جریان و آب شستگی محلی در نزدیکی آبشکن را مطالعه کردند . آنها به این نتیجه رسیدند که تفاوت بسیار زیادي بین الگوي جریان و آب شستگی بین آب شکن هاي نفوذ پذیر و نفوذ ناپذیر وجود دارد و انتظار می رود که جریان اضطراري از منافذ آبشکن نفوذپذیر بر روي جریان، ته نشینی و الگوي آب شستگی در پایین دست آبشکن اثر بگذارد.
Giri et al. - 2004 - به بررسی آزمایشگاهی وعددي شبیه سازي جریان وآب شستگی در فلومی شبیه رودخانه به اندازه گیري سرعت با تغییر دادن موقعیتADV هاي مئاندري با وجود آب شکن هاي غیر مستغرق پرداختند وتاثیر آن را بر روي میدان جریان اطراف آب شکن مدنظر قرار دادند ومیدان گردابه ها و شدت آشفتگی را به صورت دوبعدي اندازه گیري نمودند
Maccoy et al - 2005 - به بررسی میدانهاي جریان در اطراف و بین دو آب شکن عمودي در یک کانال باز پرداختندکه از خصوصیات جریان،جدایی هاي بزرگ،گرادیان هاي فشارهاي مختلف وایجاد گردابه هاي مخالف وایجاد گردابه هاي ناپایدار می باشد .[9] Uijttewaal - 2005 - الگوي جریان بین آبشکن ها را براي آبشکن هاي نفوذناپذیر و ترکیبی به صورت تجربی مورد بررسی قرار داد
حسنی - 1380 - الگوي جریان در اطراف آبشکن قائم را با استفاده از مدل هاي فیزیکی و عددي به صورت دو بعدي مورد بررسی قرار داد. وي در مدل عددي خود مدل هاي عددي لزجت ثابت، مدل طول اختلاط، مدل آشفتگی k-ε و مدل LES را به کاربرد و نتایج انها را با مدل تجربی مقایسه کرد
فرسیو و صباغ یزدي - - 1382 جریان در اطراف آبشکن را به صورت دو بعدي وبه روش حجم محدود بررسی کردند .[12] صالحی نیشابوري و همکاران - - 1382 میدان جریان در اطراف آبشکن ها را به صورت عددي مورد بررسی قرار دادند. آنها مدل خود را براي اعداد رینولدز 153و92و6 به کار بردند و تاثیر عدد رینولدز را در پروفیل سرعت مورد بررسی قرار دادند
در مقاله حاضر با استفاده از شبیه سازي عددي و بهره گیري از نرم افزار FLOW- الگوي جریان در اطراف آبشکن مستقرق شبیه سازي شده است. این شبیه سازي بدون در نظر گرفتن سطح آزاد صورت پذیرفته و مدل آشفتگی مورد استفاده RNG k بوده است.
.2 شرح مدل آزمایشگاهی و اشکال مدل سازي شده
این شبیه سازي بر روي یک فلوم مستطیلی با عرض 80 سانتی متر،ارتفاع 60 سانتی متر و طول 10 متر و با شیب کف 0/000975 و با آبشکنی به ضخامت 1/5 سانتی متر، عرض 40 سانتی متر و ارتفاع 5 سانتی متر صورت گرفته است که آبشکن در زیر آب به عمق 8/4 سانتی متر مستغرق شده است. نتایج این مدل عددي با نتایج آزمایشگاهی به دست آمده توسط مدل آزمایشگاهی وعددي - فلوئنت - آزین فر در آزمایشگاه هیدرو تکنیکال دانشگاه Saskatchewan مقایسه شده است . این کانال در شکل 1 نشان داده شده است.
.1-2 مش بندي
جدول -1 مش بندي کانال وتعداد مش ها در هر راستا
براي مش بندي این مدل در راستاي طولی 800 مش، در راستاي قائم 20 و در راستاي عرضی از 80 مش استفاده شده است که در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل -1 شکل و مشخصات کانال و آبشکن مورد استفاده براي کالیبره نمودن مدل عددي
شکل -2 نمایی از عرض کانال و محل استقرار و ابعاد آبشکن
.2-2 حل عددي 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 کنترلهاي مجزا در نظر می گیرد، از معادلات حاکم بر جریان سیال روي هر حجم کنترل انتگرال گرفته و با استفاده از طرحهاي
مختلف انفصال، معادلات جبري منفصل می شوند. به منظور تهیه هندسه میدان جریانی آن نیز از نرم افزار استفاده شده است. در تحلیل مدل از روش Explicit و با مدل آشفتگی RNG k استفاده گردیده است .
.3-2 شرایط مرزي اعمال شده
در مرز ورودي محل باز شدگی فلوم از شرط مرزي دبی ثابت - volume flow rate - استفاده شده است. در طرف دیواره ها و بستر کانال از شرایط مرزي دیوار - wall - استفاده می گردد. در مرز فوقانی کانال شرط تقارن - symetry - بکار رفته است. در مرز خروجی شرایط مرزي فشار مشخص - Specified Pressure - در نظر گرفته شده است .
.4-2 معادلات حاکم بر مسأله
معادلات حاکم براي آنالیز سه بعدي در حالت سیال غیر قابل تراکم در دستگاه مختصات کارتزین - - x , y , z بصورت زیر می باشد:
که در آن - - u , v , w مولفه هاي سرعت در جهت هاي - - x , y , z و - - Ax , Ay , Az کسري از مساحتی هستند که مرتبط با سیال است، چگالی سیال و RsoR چگالی source term می باشد.
