بخشی از مقاله
خلاصه
انواع سرریزهای مورد استفاده شامل سرریزهای لبه پهن، لبه تیز، سرریزهای استوانه ای و اوجی شکل می باشند. از مهمترین مزایای هیدرولیکی یک سرریز استوانه ای، طراحی ساده، سهولت عبور اجسام شناور و الگوی پایدار جریان در مقایسه با طراحی سرریز اوجی شکل می باشد. از دیگر موارد استفاده از این نوع سرریزها بصورت دریچه های قطاعی و سدهای لاستیکی می باشد.
در این مقاله جریان بر روی سرریز استوانه ای صاف و زبر با استفاده از مدل آشفتگی k- استاندارد بصورت دو بعدی شبیه سازی شده و سطح آزاد جریان با روش عددی جزء حجم سیال - VOF - تعیین گردید. نتایج نشان داد که مدل آشفتگی k- استاندارد و روش جزء حجم سیال - VOF - برای پیش بینی پروفیل سطح آب و دبی جریان بر روی سرریز استوانه ای مناسب بوده و خطای نسبی متوسط مقادیر سطح آب بدست آمده از مدل عددی و اندازه گیری شده 1 تا 4 درصد است. تأثیر زبری سرریز استوانه ای بر روی خصوصیات هیدرولیکی با محاسبه ضریبدبی ،ٍ پروفیل سرعت در این مدل مورد بررسی قرار گرفت.
-1 مقدمه
جریان برروی سرریز ها و سدها به صورت جریان متغیر سریع می باشد. سرریزها، سازه های هیدرولیکی ساده ای هستند که به منظور کنترل سطح آب و اندازه گیری جریان در کانال های آبیاری مورد استفاده قرار می گیرند. از این میان، سرریزهای لبه تیز و لبه پهن، استوانه ای و اوجی شکل به طور متداول استفاده می گردد. این سرریزها علاوه بر سادگی در ساخت از نظر هیدرولیکی نیز مورد توجه قرار داشته اند.
مهمترین امتیازات هیدرولیکی یک سرریز استوانه ای این است که ظرفیت عبور دبی جریان بالاتری نسبت به سرریزهای لبه پهن و تیز را دارا می باشد. همچنین از دیگر موارد کاربرد این نوع سرریز ها به صورت دریچه های غلتان و سد لاستیکی است. دریچه غلتان به صورت استوانه های فلزی بر روی پابه های بتنی در دو انتهای آن ساخته می شود. استفاده از این نوع دریچه ها در جریان های کم مقرون به صرفه نمی باشد .[1]
چنسون و مونتز - 1997 ' 1998 - جریان بر روی سرریزهای استوانه ای را در شرایط مختلف ابعاد هندسی سرریز ، ارتفاع سطح آب بالادست بررسی نمودند. در این تحقیق 8 سرریز با شعاع متفاوت و با ارتفاع های متفاوت و با در نظر گرفتن شرایط جریان ورودی به صورت نسبتا توسعه یافته، کاملا توسعه یافته، شیب دیواره بالادست سرریز و تشکیل پرش هیدرولیکی در بالادست ارزیابی گردید.
چونرونگ و همکاران - 2002 - جریان بر روی سرریز های دایره ای شکل را بصورت عددی و آزمایشگاهی بررسی نمودند. حیدر پور و چمنی - 2006 - پروفیل های سرعت جریان بر روی سرریز استوانه ای با ابعاد مختلف را بررسی کردند. دراین تحقیق برای اندازه گیری سرعت از لوله پرانتل استفاده شده است. ضریب دبی جریان به روش تحلیل ریاضی و ابعادی مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر پارامترهای معین بار هیدرولیکی و قطر سرریز بر روی شاخص بدون بعد ضریب دبی به صورت تجربی ارزیابی گردید.
مسعودیان و همکاران - 1390 - اثر قطر و هد آب روی سرریز استوانه ای روی ضریب دبی بررسی نمودند نتایج نشان می داد که با افزایش نسبت بی بعد بار هیدرولیکی روی سرریز به شعاع سرریز ضریب دبی برای هر سرریز افزایش می یابد و ضریب دبی در این نوع سرریز ها نزدیک به یک است. با توسعه تکنیک های پیشرفته عددی قابلیت مدل سازی جریان متلاطم با مرزهای پیچیده امکان پذیر شده و از این روشها برای تعیین پروفیل های سطح آب و سرعت و توزیع تنش برشی بستر می توان استفاده نمود.
با توجه به اینکه جریان بر روی سرریزها جریان متلاطم دو فاز آب و هوا برقرار است، شبیه سازی این پدیده با استفاده از مدل های آشفتگی مانند k- استاندارد با در نظر گرفتن جزء حجم سیال - VOF - 1 می تواند به نتایج دقیقتری منجر شود .[6] تاثیر قطر و زبری سطح سرریز استوانه ای بر روی ضریب دبی جریان به صورت تجربی توسط عثمان و همکاران - 2011 - مورد مطالعه قرار گرفته است.
هدف از این تحقیق بررسی عددی جریان بر روی سرریز استوانه ای و تاثیر عوامل مختلف بر روی مشخصات جریان با استفاده از مدل های آشفتگی k- است. این تحقیق با استفاده نرم افزار FLUENT و با کاربرد روش حجم محدود در حل معادلات ناویر استوکس متوسط رینولدزی انجام گرفته و سطح آزاد جریان با روش عددی جزء حجم سیال تعیین گردید.
-2 مواد و روش ها
در این تحقیق جریان بر روی سرریز استوانه ای شکل به ازای بار هیدرولیکی مختلف با استفاده از مدل آشفتگی جریان دو فاز و با بکارگیری روشهای عددی مورد بررسی قرار گرفت. طرح شماتیک محدوده محاسباتی جریان بر روی سرریزاستوانه ای در شکل - 1 - نشان داده شده است.
معادلات حاکم
معادلات پیوستگی و مومنتم ناویر استوکس متوسط رینولدزی برای هر یک از فازهای جریان - آب و هوا - در جریان بر روی سرریز استوانه ای به فرم زیر در نظر گرفته میشوند .[8] برای حل معادله فوق در سلولی که پر از آب است مقدار تابع F برابر یک می باشد. در سلول خالی - پر از هوا - مقدار تابع برابر صفر است و در سلول هایی که سطح آب وجود دارد این مقدار بین صفر و یک می باشد.
معادله جزء حجم سیال با روشهای مختلف حل می شود که در این تحقیق از روش بازسازی هندسی1 استفاده شده است. در روش بازسازی هندسی سطح مشترک جریان بین دو فاز به روش خطوط جزء بدست می آید که در شبکه بندی غیرساختاری2 متداول بوده و از دقت بیشتری برخوردار است. در روش بازسازی هندسی فرض می شود که فصل مشترک دو سیال در هر سلول بصورت خط شیب دار بوده و جابجایی سیال در سلولها با توجه به شکل خطوط بدست می آید. در شکل - 2 - فصل مشترک دو فاز آب و هوا در شرایط واقعی و روش بازسازی هندسی نمایش داده شده است .[6]
مدل آشفتگی k- استاندارد
در این تحقیق از مدل های آشفتگی دو معادلهای استاندارد k- استفاده گردید.
