بخشی از مقاله
خلاصه
احداث دیوار میانی روشی برای کاهش اثرات سوء ناشی از قوس بر جریان است. در این پژوهش با استفاده از نرمافزار فلوتریدی به شبیهسازی جریان در قوس تند 90درجه پرداخته شد. سپس با افزودن دیوار میانی در آن، مجدداً شبیهسازی صورت گرفت. در آنها از معادلات حاکم بر حرکت سیال تراکمناپذیر لزج به همراه مدل آشفتگی k-ε - RNG - استفاده شد. سطح آزاد نیز با روش جزء حجم سیال - VOF - مدلسازی شد. سپس نتایج هر دو مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی انجامشده صحتسنجی گردید. نتایج بیانگر انطباق خوب مدلهای عددی با آزمایشگاهی بود.
معیار MAPE برای قوس بدون دیوار میانی برابر با 5/66 درصد و در قوس با دیوار میانی برابر با 6/22 درصد به دست آمد. مقایسه مقادیر سرعت در قوس با دیوار میانی و بدون دیوار میانی نشان داد که این دیوار باعث -1 افزایش سرعت در نزدیک دیوار خارجی و کاهش سرعت در نزدیک دیوار داخلی تا میانهی قوس، -2 کاهش مقدار سرعت بیشینه تا میانهی قوس و افزایش آن تا انتهای قوس - تعدیل سرعت بیشیته در طول قوس - ، -3 انتقال سرعتهای بیشینه از مجاورت دیوار خارجی به سمت محور کانال در مقاطع انتهایی، -4 کاهش اختلاف ارتفاع آب در دو دیوار داخلی و خارجی و -5 کاهش قدرت جریان ثانویه با جلوگیری از انحراف خطوط جریان به سمت دیوارها میشود.
.1 مقدمه
وجود قوس در رودخانهها و کانالها سبب عوامل مخربی ازجمله فرسایش ساحل خارجی میشود. الگوی جریان در آنها بسیار پیچیده است. با شناخت هرچه بیشتر این الگو میتوان راهکارهای بهتری جهت مهار فرسایش و آثار سوء آن ارائه داد. لذا بررسی ویژگیهای جریان در قوس مثل جریان ثانویه، توزیع سرعت، خطوط جریان و ارتفاع آب امری ضروری است. تاکنون مطالعاتی در رابطه با جریان در قوس انجام شده است .[6-1]
سوزه پور - 1392 - نتیجه گرفت با افزایش عدد فرود، ناحیهجداشدگی از دیوار داخلی قوس تند 90 درجه در نیمه دوم آن، به طرف بالادست پیشروی میکند. همچنین قدرت جریان ثانویه در موقعیت 50 و 80 درجه از قوس، بیشینه میشود .[7] واقفی و همکارن - 2015 - نتیجه گرفتند که در ورودی قوس تند 180 درجه سرعت بیشینه در نزدیک دیواره داخلی قرار دارد، اما در خروجی بدلیل قدرت جریان ثانویه سرعت بیشینه به سمت دیوار خارجی قوس انتقال مییابد.[8]
در سالهای اخیر از روشهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - برای مدلسازی الگوی جریان در قوسها استفاده شده است .[13-9] طاهرشمسی و همکاران - 1390 - با استفاده از روش عددی دریافتند که با تغییر زاویه مرکزی خم، ناحیه پرتنش در نزدیکی دیواره داخلی وسیعتر میشود و با پیشروی در طول خم به سمت دیواره خارجی متمایل میگردد .[14] رامامورتی - 2013 - با بررسی مدلهای آشفتگی و نیز مدلهای مختلف سطح آزاد در یک قوس تند 90 درجه نتیجه گرفت که مدل VOF و RSM نزدیکترین جوابها را به نتایج آزمایشگاهی داشتند .[15]
غلامی - 2014 - نشان داد که در مدل عددی وی سرعت بیشینه در طول قوس تند 90 درجه در نزدیک دیوار داخلی رخ داده است. همچنین شکل خطوط جریان در سطوح مختلف آب متفاوت بوده است و تغییرات سطح آب نیز در نیمه داخلی قوس بیشتر از نیمه خارجی است .[16] سیداشرف - 2016 - نتیجه گرفت که سرعت کمینه در قوس تند 90 درجه در نزدیک قوس داخلی اتفاق میافتد که تمایل به جدایی جریان دارد. همچنین کاهش عرض کانال سبب کاهش تغییرات کلی سرعت در مقاطع عرضی میشود که میتواند در کنترل ناحیه جداشدگی مؤثر باشد.[17]
برای کاهش اثرات سوء ناشی از قوس، از برخی سازههای هیدرولیکی مثل دیوار میانی، آبشکن، صفحات مستغرق و غیره استفاده میشود. محققان زیادی به مطالعهی اثر آبشکن و صفحات مستغرق در کانالهای قوسی پرداختند .[23-18] مسجدی - 2011 - نشان داد که مناسبترین زاویه قرارگیری صفحات مستغرق در کنترل عمق آبشستگی قوس 180 درجه، زاویه 15 درجه است .[24]
هان - 2011 - نشان داد که با قرارگیری 3 صفحه مستغرق در قوس، توزیع سرعت یکنواختتر از حالتی است که یک صفحه در قوس قرارگیرد. همچنین مقدار سرعت بیشینه با قرارگیری سه صفحه در قوس نسبت به یک صفحه کاهش مییابد .[25] پیرامون اثر دیوار میانی در قوس مطالعات کمی انجام شده است. اختری - 1388 - در یک مطالعهی آزمایشگاهی با ارائهی رابطهای نشان داد که تغییرات سطح آب در قوس تند، غیرخطی است. همچنین نشان داد که استفاده از دیوارهای میانی در کاهش تغییرات عرضی عمق جریان و تعادل سرعت پس از قوس، بسیار مؤثر است .[26]
نتایج بهدستآمده از مطالعات اندکی که تاکنون پیرامون اثر دیوار میانی در قوس صورت گرفته است، به صورت آزمایشگاهی بوده است. اما با پیشرفت سریعفنّاوری، استفاده از مدلهای عددی در شبیهسازی جریان سبب کاهش هزینههای زیاد مدلهای آزمایشگاهی گردیده است. نرمافزار Flow3D قابلیتهای بسیاری در شبیهسازی مسائل هیدرولیکی کانال باز بهویژه جریان در قوس ارائه داده است.
در این تحقیق یک قوس تند 90 درجه در دو حالت با دیوار میانی و بدون دیوار میانی توسط نرمافزار Flow3D شبیهسازی میگردد. صحت نتایج بهدستآمده از این دو مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی اختری - 1388 - بررسی و تأیید میشود .[26] سپس الگوی جریان در قوس با قرارگیری دیوار میانی و بدون آن، بایکدیگر مقایسه میشود. همچنین اثرات دیوار میانی بر جریان در قوس نیز بررسی میگردد.
.2 مواد و روشها
.1 .2 مدل آزمایشگاهی
در تحقیق حاضر برای صحتسنجی نتایج عددی از نتایج حاصل از مطالعات آزمایشگاهی انجام شده توسط اختری - 1388 - در یک فلوم آزمایشگاهی در آزمایشگاه فردوسی مشهد استفاده شده است. کانال آزمایشگاهی مورد نظر دارای مقطعی مربع به ابعاد 40/3 و 40/3 سانتیمتر است. در این فلوم یک کانال مستقیم به طول 3/6 متر در بالادست و یک مسیر مستقیم در پاییندست به طول 1/8 متر توسط یک قوس 90 درجه به هم متصل شده است. نسبت شعاع مرکزی این قوس - Rc - به عرض کانال - B - برابر 1,5 میباشد.
این نسبت بیانگر قوس تند است - شکل. - 1 جنس دیوارها و کف از پلکسی گلاس شفاف انتخاب شده است. همچنین یک دیوار میانی غیرمستغرق از جنس ورقهای گالوانیزه به ضخامت 4 میلیمتر در محور مرکزی و سرتاسر قوس کشیده شده است. در آزمایشگاه مقادیر سرعت و ارتفاع آب در مقاطع عرضی شامل 40 سانتیمتر قبل از قوس، 40 و 80 سانتیمتر بعد از قوس و زوایای 0، 22/5، 45، 67/5 و 90 درجه از قوس اندازهگیری شده است. عمق ورودی جریان برابر با 12 سانتیمتر و دبی ورودی نیز 19/36 لیتر بر ثانیه میباشد.
.2 .2 مدل دینامیک سیالات محاسباتی - CFD -
بهمنظور شبیهسازی میدان سرعت با استفاده از مدل CFD، از معادلات حاکم بر حرکت سیال تراکمناپذیر لزج در حالت آشفته استفاده شد.
