بخشی از مقاله
خلاصه
سدها و بندهاي انحرافي موانعي براي جلوگيري از مهاجرت ماهي ها در طول رودخانه به حساب مي آيند . به منظور رفع اين مشكل در طراحي سد، يك سازه هيدروليكي تحت عنوان راه ماهي در كنار سد تعبيه مي شود. راه ماهي دنيل يكي از انواع راه ماهي مي باشد كه مهاجرت ماهي به بالادست سد را امكان پذير مي نمايد. سرعت، عمق آب و آشفتگي از پارامترهاي موثر در شناكردن ماهي مي باشند.
در اين مقاله معادلات حاكم برآب هاي كم عمق در حالت سه بعدي در راه ماهي دنيل با استفاده از مدل هاي آشفتگي مناسب حل گرديد تا الگوي جريان و آشفتگي محاسبه شود. نتايج حاصل از مدل عددي براي سرعت با داده هاي آزمايشگاهي مقايسه شد. سرعت هاي به دست آمده از حل عددي بسيار قرين به داده هاي آزمايشگاه مي باشند. نتايج نشان مي دهد كه اهميت مدل آشفتگي در شبيه سازي عددي مي تواند به عنوان ابزاري موثر براي اهداف طراحي قابل ملاحظه باشد.
١. مقدمه
راه ماهي سازه هيدروليكي است كه مهاجرت ماهي به بالادست موانع طبيعي يا سدها را فراهم مي كند. اولين راه ماهي از نوع بازشدگي دنيل توسط جي دنيل تشريح شد - دنيل - ١٩٠٩ - . - Denil سپس تحقيقاتي روي اجراي واقعي تعدادي از انواع مختلف راه ماهي ها انجام شد - مك لود و همكاران - ١٩٤٠و١٩٣٩ - - Mcleod et al. و - نمني - ١٩٤١. - Nemenyi - از اين مطالعات طرح راه ماهي به نام تندراه١ نتيجه شد كه به خوبي در ابعاد اصلي مطالعه شده بود - زيمر - ١٩٦٢. - Zeimer - كميته گذر ماهي ساده ترين مدل راه ماهي دنيل را تهيه كردند. مزيت اين راه ماهي به تندراه در استفاده از تركيب قاب هاي منفرد مي باشد كه ساختمان ساده اي را به دست مي دهد - كميته گذر ماهي - ١٩٤٢ - - .
راه ماهي دنيل از يك كانال مستقيم مستطيلي شيبدار تشكيل گرديده كه درون آن قابهايي قرار گرفته اند. نحوه قرارگيري قاب ها باعث اتلاف انرژزياد جريان گرديده و جريان نسبتاً مناسبي را براي عبور ماهي در يك مسير مستقيم و پيوسته فراهم مي كند. شرايط هيدروليكي در طراحي اين راه ماهي شامل منظور نمودن حداكثر سرعت جريان از ميان قاب هاي دنيل مي باشد كه اين سرعت نبايستي از سرعت انفجاري عبور ماهي بيشتر باشد. سرعت انفجاري يك سرعت شناي خيلي بالاست كه ماهي مي تواند در كمتر از پانزده ثانيه ادامه دهد . اين مقدار براي ماهي هاي آزاد بالغ ٥/٢متر بر ثانيه در نظر گرفته شده است - كاتوپوديس - ١٩٨١. - Katopodis - بل سه سطح سرعت براي راه ماهي مشخص كرد كه بحراني هستند
سرعت مداوم: سرعتي كه مي تواند براي يك دوره زماني طولاني ثابت نگه داشته شود.٢- سرعتي كه بتوان براي دقايقي ثابت نگه داشته شود. ٣- سرعت انفجاري: يك تلاش واحد و نه هميشگي. سرعت مداوم و سرعت انفجاري در دوره هاي بهره گيري به وسيله ماهي به ترتيب با عضلات هوازي و بيهوازي ايجاد مي شوند - بيچ - ١٩٨٤. - Beach - دو سرعت بحراني بيشتر به سرعت هاي بحراني فوق الذكر اضافه شده است - پاولوف - ١٩٨٩. - Pavlov - - شكل ١ - اين نوع راه ماهي را نشان مي دهد.
شكل ١: نمايي شماتيك راه ماهي دنيل كه از يك كانال مستطيلي شيبدار به همراه قاب هايي درون آن تشكيل شده است
در ساحل غربي آمريكاي شمالي نصب يك مورد راه ماهي دنيل در سد درايدن روي رودخانه وناتچي در ايالت واشنگتن گزارش شد. اين گزارشات نشان مي داد كه راه ماهي دنيل به طور موفقيت آميزي دو نوع سالمون - چاينوك و ساكاي - را از خود عبور مي دهد. اين راه ماهي دنيل بر اساس طراحي ارائه شده به وسيله كميته عبور ماهي، موسسه بريتانيايي از مهندسين عمران - ١٩٤٢ - بود - فالتون و همكاران - ١٩٥٣. - Fulton et al. - در ساحل شرقي امريكا، در سال هاي اخير راه ماهي دنيل در ايالت مين به طور وسيعي استفاده شده است.
بر اساس طراحي كاربردي از كميته گذر ماهي - ١٩٤٢ - كه راه ماهي با شيب ٢٠ درصد بوده است، راه ماهي دنيل در ايالت مين به طول ٢٢٧ متر - شامل استخرهاي استراحت - ، بر يك ارتفاع قائم ٢/١٥ متر فائق مي آيد - دكر - ١٩٦٧. - Decker - روي رودخانه آناكوآچكت در جزيره رود دو راه ماهي دنيل وجود دارند كه به طور موفقيت آميزي آليوايوها را از خود عبور دادند - كاتوپودس و راجاراتنام - ١٩٨٣. - Katopodis and Rajaratnam - همچنين چندين دنيل در ماساچوست و نيويورك احداث گرديده است - كاتوپودس و راجاراتنام - ١٩٨٣ - . - Katopodis and Rajaratnam كاتوپوديس و راجاراتنام تحقيقات مشتركي بر روي هيدروليك جريان در راه ماهي ها آغاز كردند.
اين دو عمدتا" بر روي راه ماهي از نوع دنيل كاركرده و نتايج بسيار جالبي در طراحي دنيل براي دبي ها و شيب هاي مختلف، را به دست آوردند. آنها آزمايش هاي خود را در سه سري به انجام رساندند. سري اول آزمايش ها با دنيل در مقياس كامل در سه شيب ١٠، ٢٠و ٣٠ درصد با نسبت - عمق جريان به عرض جريان در نوك قاب دنيل - متغير از حدود ٦/٠ تا٢/١ انجام گرديده است. در سري دو آزمايش مدلي در مقياس تهيه شده و آزمايش ها در شيب هاي ٥، ١٠و ٢٠ درصد با نسبت افزايش يافته تا حدود ٤ انجام شده است.
در سومين سري آزمايش ها براي مطالعه اثر تغيير نسبت هاي و روي عملكرد راه ماهي، مدل براي تغيير داده شده و آزمايش ها در شيب هاي ٥، ١٠، ٢٠و ٣٠ درصد و افزايش يافته تا حدود ١/٥ انجام گرديده است - كاتوپودس و راجاراتنام - ١٩٨٣. - Katopodis and Rajaratnam - اين دو در ادامه تحقيقات خود در زمينه هيدروليك جريان در راه ماهي ها در سال ١٩٨٦ يك سري آزمايش بر روي راه ماهي دنيل دو طبقه انجام دادند - كاتوپودس و راجاراتنام - ١٩٨٧ and Rajaratnam . - Katopodis - تحقيقات درباره هيدروليك راه ماهي هاي دنيل را در سال ١٩٩٥ به طور جامع تر انجام شد. محور مطالعات استفاده از نسبت هاي بزرگ در طراحي راه ماهي دنيل بوده است
عوامل مؤثر در شنا كردن ماهي ها فقط ميدان سرعت و عمق آب نبوده ميزان آشفتگي نيز مؤثر است. آشفتگي اضافي مي تواند مسير حركت ماهي ها را مسدود كند. كلي - - 1995 پيشنهاد كرد در طراحي راه ماهي نقاط با آشفتگي زياد مشخص گشته و نحوه تا◌ٔثير آنها بر رفتار ماهي تعيين شود - كلي - . - Clay - 1995 براي حل چنين مسائلي مي توان روش هاي عددي را به كار بست. جريان روي يك سرريز اوجي به روش CFD - computational fluid dynamics - و با مدل Flow3D مدل سازي شد.
نتايج حاصل با داده هاي آزمايشگاهي مقايسه شد و نشان دادند كه با CFD به خوبي مي توان فشارها و دبي را چنين سازه هايي پيش بيني كرد - ساويچ و همكاران - . - Savage et al. - 2001 با استفاده از مدل حجم سيال VOF - volume of fluid - و مدل آشفتگي k-ε و شبكه بندي بي سازمان براي سوار كردن مرزهاي نامنظم، سرريزهاي پلكاني شبيه سازي شدند. با مقايسه نتايج اين مدل با داده هاي آزمايشگاهي با دقت مناسب، شبيه سازي عددي آشفتگي روشي مؤثر براي شبيه سازي سرريزهاي پلكاني معرفي گرديد
با استفاده از روش حجم سيال - VOF - و مدل آشفتگي k-ε و شبكه بندي تركيبي با سازمان و بي سازمان، سطح آزاد در راه ماهي سرريز اوجي شبيه سازي گرديد و نتايج رضايت بخشي در مقايسه با مدل فيزيكي به دست آمد كاريكا و همكاران - ٢٠٠٥ - . - Carrica et al. مدل سازي راه ماهي نوع بازشدگي قائم با استفاده از مدل عددي آب هاي كم عمق و شبيه سازي آشفتگي با به بكار گيري سه مدل طول اختلاط، k-ε و تنش جبري انجام گرديد - سئا و همكاران - ٢٠٠٧. - Cea et al. - اما در زمينه شبيه سازي عددي جريان بر روي راه ماهي نوع دنيل بر اساس اطلاعات محققين، به نظر مي رسد تاكنون تحقيقي صورت نگرفته است. در اين تحقيق به مدل سازي عددي جريان در اين نوع راه ماهي با استفاده از مدل عددي آب هاي كم عمق و مدل هاي آشفتگي پرداخته شده است.
٢. معادلات حاكم
جريان مورد مطالعه، جرياني آشفته با ماهيتي سه بعدي و غيردائمي است. سرعت و فشار تابعي از زمان و مكان مي باشند. براي مدل كردن نوسانات سرعت و فشار، از معادلات ناوير استوكس در زمان انتگرال گيري مي شود. روابط حاصل از انتگرال گيري معادلات ناويراستوكس در زمان به معادلات رينولدز معروف هستند - رينولدز - ١٩٨٤. - Rynolds - معادلات مدل آشفتگي، مدل هاي دومعادله اي معروف k-ε - Standard - به صورت متوسط گيري شده در عمق مي باشند - راستجي و ردي - ١٩٧٨. - Rastogi and Rodi - معادله ε به عنوان يكي از منابع اصلي محدوديت هاي دقت نسخه استاندارد مدل k-ε و تنش رينولدز، در جريان هايي كه نرخ تغييرشكل بزرگي دارند، كاملا" مورد ترديد است. لذا جالب توجه است كه اين مدل شامل يك عبارت اصلاح وابسته به كرنش با ثابت در معادله ε از مدل RNG مي باشد - ياخوت و همكاران - ١٩٩٢. - Yakhot et al. - ويل كاكس، معادلات مدل آشفتگي k-ω - standard - را ارائه نمود
٣. داده هاي آزمايشگاهي
مدل فيزيكي مورد مطالعه در آزمايشگاه هيدروليك دانشگاه شهيد چمران اهواز احداث گرديده است - كردستاني و شفاعي بجستان، ١٣٧٩ - . كانال اصلي مدل به عرض ٢/٠، ارتفاع٢٥/٠ و طول ٥/٧ متر با شيب ٢٠ درصد واقع شده است . در پايين دست نيز يك كانال مستطيلي افقي به طول ٧٥/٣ و عرض ٢/٠ و ارتفاع ٢٥/٠ متر قرار دارد. به منظور بررسي شرايط جريان در راه ماهي دنيل، قاب دنيل آزمايشگاهي با نسبت هاي استاندارد B/b=1.56 وb/k=2 وa/b=0.72 و با نسبت d/b=1 و به ابعاد زير طراحي گرديد: D= 17cm ، d=12.8 cm ، a=9.2cm ، =6.4cm = ، b=12.8cm ، B=20cm ، .ψ= 450
همان طوري كه در شكل١ مشاهده مي شود :B عرض كانال، :b عرض جريان در بالاي قاب دنيل، :a فاصله ميان قاب ها، :d فاصله عمودي از نوك قاب دنيل تا سطح آب، :D فاصله عمودي كف كانال تا سطح آب، : فاصله پايين دنيل تا رسيدن به نوك قاب دنيل در بالاي آن، : فاصله نوك دنيل تا رسيدن به عرض ثابت b، :ψ زاويه قاب دنيل با كف كانال. با توجه به d/b=1 و شيب ٢٠ درصد كانال، از رابطه - ١٩ - مقدار دبي راه ماهي در مدل برابر ٨٢/٧ ليتر بر ثانيه به دست خواهد آمد كه معادل دبي ٤٣٧ ليتر بر ثانيه در پروتوتيپ مي باشد.
قابها در مدل راه ماهي با زاويه ٤٥درجه نسبت به كف راه ماهي و با فاصله ٢/٩ سانتي متر از يكديگر قرار داده شده اند . چنانكه ملاحظه مي گردد، تقريبا" تا ارتفاع ٠٣/٠ متر از روي نوك قاب دنيل، جهت بردار سرعت رو به بالا است و بر خلاف جهت جريان مي باشد و از ارتفاع ٠٣/٠ متر تا ارتفاع ٠٨/٠ متر از روي نوك قاب دنيل، منطقه اي كم سرعت با سرعتي كمتر از يك متر بر ثانيه تشكيل مي شود. تنها در نزديكي سطح آب و در عمق ١٢/٠ متر بالاي نوك قاب دنيل، سرعت هاي بين ٨/١ تا ٢/٢متر بر ثانيه مشاهده گرديده است
جدول ١ : پروفيل سرعت در مركز دنيل در فواصل مختلف از ابتداي راه ماهي
