بخشی از مقاله
چکیده
سرریز مستطیلی شکاف نوعی سرریز لبه تیز هستند که برای اندازهگیری دبیهای کمتر از پنج لیتر بر ثانیه استفاده میگردند. در این تحقیق با استفاده از مدلسازی عددی جریان بر روی این نوع سرریزها شبیهسازی گردید و ضریب دبی سرریز برای شرایطی که قبلا در آزمایشگاه بدست آمده بود، تعیین گردید. نتایج نشان داد که مدل عددی قادر به شبیهسازی جریان بر روی این نوع سرریزها می باشد و ضریب دبی بدست آمده از روش عددی از لحاظ روند تغییرات تطابق خوبی را با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد. همچنین تحلیل خطاها نیز نشان داد که روش عددی ضریب دبی را به طور متوسط 12 درصد بیشتر از رابطه آیدین و همکاران - 2006 - که بر پایه دادههای آزمایشگاهی است برآورد میکند.
مقدمه
سرریزهای لبه تیز ابزار مناسبی برای اندازه گیری جریان در کانال های روباز هستند، ولی هنوز به دلیل پیچیدگی های مختلف نظیر وجود لزجت سیال، کشش سطحی، هندسه سرریز و سایر پارامترها، معادله ای دقیق برای این نوع سرریزها ارائه نشده است. در نتیجه تنها راه بدست آوردن معادلات استفاده از نتایج آزمایشگاهی بوده است. سرریزهای لبه تیز به واسطه شکل بریدگی آنها - مستطیلی، مثلثی، ذوزنقه ای و سهموی - طبقه بندی می شوند.
قطع نظر از شکل بریدگی، معادلات دبی، دبی را با عمق بالادست تاج سرریز و ضریبی به نام ضریب دبی که نشان دهنده تمامی عوامل موثر بر میدان جریان است، مرتبط می کنند. دقت تعیین دبی بر روی سرریزها بستگی به ضریب دبی و دقت اندازه گیری هد آب بر روی تاج سرریز دارد. برای دبی های خیلی کم که موجب کاهش هد آب روی تاج سرریز می شوند، دقت اندازه گیری هد بالادست، اهمیت بالایی پیدا می کند.
در نتیجه برای اندازه گیری دبی های کم نیاز است که از سرریزهایی استفاده شود که تغییرات هد آنها نسبت به تغییرات دبی زیاد باشد . یکی از انواع این نوع سرریزها، سرریزهای شکاف می باشند که در توسط آیدین و همکاران - 2002 - معرفی شدند. شکل 1 ، تصویر شماتیک یک سرریز شکاف را نمایش می دهد. امروزه با پیشرفت سریع در مدلهای عددی و افزایش سرعت محاسبات کامپیوترها، مهندسین هیدرولیک می توانند علاوه بر استفاده از مدلهای فیزیکی، از مدلهای ریاضی نیز جهت شبیه سازی جریان و بدست آوردن نمودارهای طراحی استفاده کرد.
استفاده از روشهای عددی منوط به آشنایی مهندسین با قابلیت ها و محدودیت های آنها می باشد. از طرفی نیاز است که برای صحت سنجی این مدلها از داده های آزمایشگاهی واقعی برای کالیبره کردن مدلهای استفاده کرد. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار FLOW-3D ، سرریزهای شکاف با ابعاد مختلف و شرایط مختلف جریان شبیه سازی می شوند و سپس با استفاده از داده های آزمایشگاهی صحت سنجی شده و ضرایب دبی بدست آمده از روش عددی با نتایج بدست آمده از روش آزمایشگاهی مقایسه خواهند شد.
مواد و روشها
برای مدل سازی جریان بر روی سرریز شکاف از نرم افزار Flow-3D استفاده شده است. نرم افزار Flow-3D یک نرم افزار قدرتمند در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی می باشد که برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است. Flow-3D بر اساس قوانین بنیادی بقای جرم، مومنتوم و انرژی پایه گذاری شده است. یکی از قابلیتهای عمده برنامه Flow-3D برای تحلیل های هیدرولیکی، توانایی مدل کردن جریان های با سطح آزاد می باشد. در Flow-3D سطح آزاد با تکنیک VOF مدل می شود. خلاصه ای از معادلاتی که در Flow-3D حل می شوند به شرح زیر می باشد:
معادلات حاکم
معادلات کلی حاکم بر مساله، معادلات RANS و پیوستگی برای جریان های تراکم ناپذیر می باشند، که با در نظر گرفتن متغیرهای VOF و FAVOR به شکل معادلات پیوستگی و مومنتوم در می آیند.
شبکه بندی مدل
شبکه بندی مدل با استفاده از المان های مکعبی قائمه امکان پذیر می باشد، لذا توصیه می شود در نواحی با گرادیان بالا از المان های ریزتری استفاده شود. این روش می تواند با کوچک کردن المان در محل مورد نیاز انجام گردد، لذا در این تحقیق در محل سرریز از المان های ریزتری استفاده شد. نحوه شبکه بندی مدل برای یکی از سرریزها در شکل - 2 - نشان داده شده است.
