بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر حوادث زیادی در نقاط مختلف جهان در ارتباط با مسئله کاویتاسیون در سرریز سدهای بلند در نواحی که سرعت جریان زیاد میباشد به وقوع پیوسته است. به منظور شناخت این پدیده و طرق جلوگیری از خسارات آن همه ساله مطالعات و تحقیقات گسترده ای در مراکز تحقیقاتی صورت میگیرد. از دیدگاه فنی راحتترین و اقتصادیترین روش برای جلوگیری از خسارات کاویتاسیون استفاده از ذخیره هوا در محل تماس بین جریان آب و سطح صلب است.
جهت مطالعه این پدیده در این تحقیق، به کمک دینامیک سیالات محاسباتی جریان در سرریز سد آزاد در دو حالت بدون درنظر گرفتن مجرای هواده و با درنظر گرفتن دو هواده شبیه سازی گردید. از روی نتایج فشار و سرعت بدست آمده از حل عددی شاخص کاویتاسیون در مقاطعی از تنداب به دست آمد و با نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی مقایسه گردید.
نتیجه نشان میدهد که استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی روشی موثر در کنترل پدیده کاویتاسیون در تنداب سدها می باشد. همچنین مشخص گردید که مسئله انتقال هوا در مسیر جریان و همچنین خارج شدن هوا در مطالعات آزمایشگاهی در نظر گرفته نشده است که همین امر باعث تشدید پدیده کاویتاسیون بعد از هواده دوم میباشد.
-1 مقدمه
محققین طی دهه های اخیر دریافتهاندکه، امکان خرابی و خوردگی تنداب سرریزها و کانال پایاب تخلیهکنندههای تحتانی، زمانیکه سرعت جریان زیاد است و یا تغییر ناگهانی در جهت جریان روی میدهد، وجود دارد - کرامر، . - 2004 در سرعتهای بالای 30 متر برثانیه کوچکترین نقص در سطح برای بروز کاویتاسیون کافی است. کاویتاسیون - خوردگی - به دلیل تشکیل حباب در داخل مایع در اثر کاهش فشار به میزان کمتر از فشار بخار رخ میدهد. پیدایش این حبابها میتواند در نتیجه وجود گازهای نامحلول، مایعات فرار و یا حالاتی باشد که طی آن:
-1 فشار کمتر از فشار اشباع گاز باشد - کاویتاسیون گازی - .
-2 فشار کمتر از فشار بخار مایع باشد - کاویتاسیون بخاری - . بزرگترین خرابیها در سدهای کارون - ایران، - 1977 و Glen Canyon در کلورادو - آمریکا، - 1983 روی داده است - کرامر - - 2004 . - Kramer روشهای پیشگیری از خرابی ناشی از کاویتاسیون عبارتند از - چانسون : - Chanson - 1998 -
-1 کاهش عدد کاویتاسیون بحرانی - به طور مثال با از بین بردن نامنظمی های سطحی -
-2 افزایش مقاومت مصالح سطحی در برابر فرسایش کاویتاسیون
-3 هوادهی جریان
از دیدگاه فنی راحت ترین و اقتصادی ترین روش برای جلوگیری از خسارات کاویتاسیون استفاده از ذخیره هوا در محل تماس بین جریان آب و بتن است - کرامر - . - Kramer - 2004 - پترکا - Peterka - 1953 - بیان داشت وجود غلظت هوای حدود 7-5 درصد برای توقف خرابی در بتن با مقاومت فشاری 28 روزه حدود 17MPa لازم است.
به منظور پیش بینی خوردگی، بایستی موقعیت نقاطی را که در آنها ممکن است فشار تا حد فشار بخار آب نزول کند شناسایی نمود. مقدار بحرانی عمدتاً به هندسه جریان، شکل و ارتفاع ناهمواری های سطحی و موقعیت نقطه مبنا که در آن، فشار و سرعت اندازه گیری شده اند، بستگی دارد که بر اساس نتایج حاصل از آزمایش های مدل و نمونه اصلی، در نمودارها و روابط نیمه تجربی برای تعیین آن شرایط مختلفی ارائه شده است.
-2 معادلات حاکم
جریان مورد مطالعه، جریانی آشفته با ماهیتی سه بعدی و غیردائمی است. سرعت و فشار تابعی از زمان و مکان می باشند. برای مدل کردن نوسانات سرعت و فشار، از معادلات ناویر استوکس در زمان انتگرال گیری می شود. روابط حاصل از انتگرال گیری معادلات ناویراستوکس در زمان به معادلات رینولدز معروف هستند - رینولدز - . - Rynolds - 1984 معادلات مدل آشفتگی، مدل های دومعادله ای معروف k- - 6WDQGDUG - به صورت متوسط گیری شده در عمق می باشند.
- راستجی و ردی - . - Rastogi and Rodi - 1978 معادله به عنوان یکی از منابع اصلی محدودیت های دقت نسخه استاندارد مدل k- و تنش رینولدز، در جریان هایی که نرخ تغییرشکل بزرگی دارند، کاملا" مورد تردید است. لذا جالب توجه است که این مدل شامل یک عبارت اصلاح وابسته به کرنش با ثابت در معادله از مدل RNG می باشد - یاخوت و همکاران - . - Yakhot et al. - 1992 ویل کاکس، معادلات مدل آشفتگی k- - VWDQGDUG - را ارائه نمود - ویل کاکس . - Wilcox - 1988 -
-3 مدل عددی
خواص فیزیکی در مورد آب مقادیر 998/2، 0/001003، 4182 و 0/6 به ترتیب برای چگالی، لزجت، ظرفیت گرمایی و هدایت گرمایی در نظر گرفته شده است. حل کلیه معادلات حاکم بر جریان، منوط به اعمال صحیح مقادیر متغیرهای موجود در گرههای مرزی می باشد. در مسائل دائمی، فقط شرایط مرزی لازم بوده و برای مسائل غیر دائم، اعمال شرایط اولیه برای تمام گرههای شبکه نیز لازم می باشد. شرایط مرزی متداول در مسائل هیدرولیک عبارتند از - سلطانی و رحیمی اصل، :
الف- شرط مرزی ورودی:1 در مدل عددی میتوان متناسب با مدل طراحی شده، از انواع شرایط مرزی همچون سرعت، فشار، جریان جرمی و غیره استفاده نمود. بعنوان مثال در مدلسازی جریان در داخل یک کانال محصور یا روباز میتوان از شرط مرزی سرعت معین در ورودی استفاده نمود.
ب: شرط مرزی خروجی:1 در قسمت خروجی نیز شرط مرزی فشار خروجی معادل فشار اتمسفر در نظر گرفته شده شد. اگر محل خروجی در فاصله دور از موانع هندسی انتخاب شود، در صورتیکه تغییری در جهت جریان ایجاد نشود، معمولا جریان به حالت کاملا توسعه یافته میرسد. در یک چنین ناحیه ای می توان یک سطح خروجی تعریف کرده و گرادیان تمامی متغیرها - به استثنای فشار - را در راستای جریان صفر لحاظ نمود. بکارگیری این مدل شرط مرزی موجب می گردد که سطح خروجی عمود بر جریان قرار گرفته و گرادیان را در راستای عمود بر سطح خروجی برابر صفر شود - سلطانی و رحیمی اصل، . - 1382
ج- شرط مرزی دیواره.2 شرط مرزی دیوار برای محدود کردن نواحی سیال با جامد به کار میرود. در سیال لزج، شرط عدم لغزش در جدارهها، بوسیله مدل عددی اجرا می شود. با تعریف مدل و تعیین و تنظیم حل کننده ها، مدل برای انجام شبیهسازی آماده میباشد. مراحل زیر فرایند کلی این مرحله را نشان می دهد - شجاعی فرد و نورپورهشترودی، . - 1379 انتخاب روش گسستهسازی معادلات: در این مقاله از روش اختلاف بالا دست مرتبه اول برای گسسته سازی معادلات ممنتوم، k و و و از روش استاندارد برای میانیابی فشار استفاده شدهاست.
انتخاب روش ارتباط سرعت- فشار: این مرحله تنها در مورد حل کننده تفکیکی قابل بررسی میباشد. مدل عددی از روشهای سیمپل، سیمپلسی و پیزو استفاده مینماید که در این مقاله از روش سیمپل برای کوپل میدان سرعت- فشار استفاده شده است. تعیین فاکتورهای زیر تخفیف: از فاکتورهای زیر تخفیف برای کنترل تجدید مقادیر محاسبهشده متغیر ها در هر تکرار استفاده میشود. برای بیشتر جریانها، پیشفرض فاکتورهای زیر تخفیف معمولا نیاز به اصلاح ندارد. در این مقاله از مقادیر پیش فرض 0/3، 1، 0/7، 0/8، 0/8 و 1 به ترتیب برای فشار، چگالی، ممنتوم، k و و لزجت آشفتگی استفاده شدهاست.
بهطور معمول در شبیهسازی میدان جریان، پارامتر های مجهول عبارتند از فشار، مولفه های سرعت، k و . در این مقاله مقادیر اولیه فشار نسبی در کل میدان جریان برابر صفر، مقادیر اولیه مولفه های سرعت جریان نزدیک به مقادیر متوسط معرفی شده در ورودی جریان و برای k ، و مقادیری نزدیک به مقادیر تعیین شده در شرط مرزی ورودی یعنی نتایج در نظر گرفته شدهاست - شجاعی فرد و نورپورهشترودی، . - 1379 با تکمیل مراحل قبل در مدل عددی، میتوان با معرفی تعداد مراحل تکرار، فرایند حل مسئله تعریف شده را آغاز نمود. فرکانس گزارشگیری از نتایج حل را نیز می توان قبل از شروع محاسبات به مدل عددی معرفی نمود.
در طول فرایند حل میتوان همگرایی را به صورت فعال با کنترل ماندهها، آمار، مقادیر نیرو و انتگرال سطح را مشاهده نمود. در پایان هرتکرار، مجموع مانده برای هریک از متغیرهای حفظ شده محاسبه، ذخیره و نمایش داده می شود. در این مقاله به منظورحل میدان جریان، تعداد تکراراولیه برابر 1000 با گزارشدهی در هر مرحله از محاسبات تعیین گردید که معمولا شرایط معرفی شده برای همگرایی مجهولات مسئله، پس از 300 تا 350 تکرار ارضا میگردید. با اتمام محاسبات و معلوم شدن مقادیر مجهولات، میتوان نتایج حاصله در هر نقطه از میدان محاسباتی را در قالب بردار، کانتور و پروفیل مشاهده و ذخیره نمود.
-4 نتایج و بحث
در مدل آزمایشگاهی تنداب13 مقطع عرضی تعریف گردید. بازاء شش دبی متفاوت، پارامترهای هیدرولیکی نظیر عمق آب، سرعت و فشار استاتیکی اندازه گیری گردید. در هشت مقطع شاخص کاویتاسیون 0.25 و در چهار مقطع 0.14 0.25 است که این شاخص زیر خط بحرانی است. جهت رفع پدیده کاویتاسیون در سطح تندآب، دو واحد سیستم هواده در فاصله های 165 متری و 210 متری از آستانه سرریز تعبیه گردید و شاخص کاویتاسیون در فاصله 264/7 متری از آستانه سرریز بررسی گردید. شکل - 1 - نمایی از مدل فیزیکی سرریز سد مخزنی آزاد میباشد. در شکل - 2 - مش بندی تنداب سرریز سد آزاد در نرم افزار گمبیت نشان داده شده که در آن شرط مرزی A از نوع FLUID و از جنس هوا و شرط مرزیB از نوع Symmetry تعریف شده است.
