بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر سرریزهای پلکانی به دلیل قابلیت بالای آنها در استهلاک انرژی جریان عبوری، تطبیق ساخت آنها با تکنولوژی سدهای بتن غلطکی - RCC - ، هوادهی خودبهخودی جریان و درنتیجه کاهش احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون و تخریب ناشی از آن، موردتوجه طراحان و مجریان سازههای هیدرولیکی وابسته سدها قرار گرفته است. درک صحیح از مشخصههای هیدرولیکی جریان دوفازی عبوری از سرریز بالأخص میدانهای سرعت و فشار جریان بهمنظور آگاهی از عملکرد هیدرولیکی این نوع سرریزها امری ضروری به نظر میرسد.
از آنجائی که مطالعه چنین جریانهای پیچیدهای به کمک مدلهای فیزیکی مستلزم صرف هزینه و وقت زیاد میباشد امروزه استفاده از شبیهسازیهای عددی جهت تحلیل جریان رواج بیشتری پیدا کرده است. در این تحقیق به شبیهسازی عددی جریان هیدرولیکی دوفازی عبوری از روی سرریز پلکانی سد ژاوه در ناحیه جریان یکنواخت به کمک نرمافزار FLUENT پرداخته شده است.
ضمن بهکارگیری روش حجم محدود، مدل چند فازی mixture و توربولانسی k- RNG جهت صحت سنجی مدل عددی از نتایج حاصل از مدل فیزیکی سرریز مربوطه استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل عددی حاکی از عملکرد مطلوب مدل در شبیهسازی و ارائه الگوی جریان سرریز میباشد. پروفیلهای فشار استخراجشده، بیشترین مقدار فشار استاتیکی در کف پله را در 0,9 طول پله و کمترین مقدار فشار استاتیکی در دیواره قائم را در 1,1 ارتفاع پله نشان میدهد.
1. مقدمه
سرریزهای پلکانی بهعنوان سازههای هیدرولیکی وابسته سد که تاریخچه آنها به حدود 3500 سال پیش برمیگردد در دو دهه اخیر به دلیل سازگاری ساخت آنها با سدهای بتنی غلطکی کوبیده - RCC - موردتوجه مهندسین سدسازی و محققین هیدرولیک قرار گرفته است. در این سرریزها وجود پلههای واقع در قسمت تنداب باعث استهلاک بیشتر انرژی در مقایسه با سرریزهایی با تنداب صاف میشود که منجر به کاهش ابعاد حوضچه آرامش در پاییندست سرریز و جتاًنتی کاهش هزینه ساخت میشود .[1] از مزایای دیگر این نوع سرریزها هوادهی خود به خودی جریان میباشد که در مواجهه با پدیده کاویتاسیون مؤثر واقع شده و از تخریبهای ناشی از این پدیده میکاهد.
اندرکنش بین جریان آب و هوا روی سرریزهای پلکانی و آشفتگیهای ناشی از اختلاط آب و هوا باعث پیچیدگیهای زیادی در تحلیل هیدرولیکی جریان دوفازی روی این سرریزها میشود. برای شناخت هیدرولیک جریان روی سرریزهای پلکانی، تحقیقات زیادی با استفاده از مدلهای فیزیکی انجام شده است که از آن جمله میتوان به تحقیقات کریستودولو - 1993 - و چانسون - 1994 - اشاره نمود. بهموازات این تحقیقات و به دلیل هزینه بالای کارهای آزمایشگاهی و محدودیتهای کاربردی آنها مطالعات به سمت استفاده از مدلهای ریاضی و عددی سوق داده شده است.
2. پیشینه تحقیق
سورنسن - 1985 - به بررسی آزمایشگاهی اتلاف انرژی و عملکرد هیدرولیکی جریان روی سرریزهای پلکانی با استفاده از مدل فیزیکی سرریز سد مانکسویل پرداخت. وی با اندازهگیری عمق جریان روی پلهها، شدت جریان و تعیین نقطه ورود هوا به ازای دبیهای مختلف ضمن مشاهده نحوه عبور جریان روی سرریز نتیجه گرفت که سطح آزاد جریان تا نقطه ورود هوا بهصورت صاف و شیشهای بوده و با کاهش دبی نقطه ورود هوا به سمت بالادست سرریز حرکت میکند [2] .
کریستودولو - 1993 - عوامل مؤثر بر اتلاف انرژی را روی سرریز پلکانی با استفاده از مدل فیزیکی بررسی کرد و نتیجه گرفت مهمترین عامل در این خصوص همانا نسبت عمق بحرانی به ارتفاع پله - yc/h - میباشد از طرفی تأثیر تعداد پلهها بر استهلاک انرژی مشهود بوده، بهطوریکه به ازای - yc/h - معین، مقدار افت انرژی با افزایش تعداد پلهها افزایش مییابد. همچنین مشخص شد با تبدیل جریان ریزشی1 به جریان غیر ریزشی2، افت انرژی کاهش مییابد. [3]
چانسون - 1994 - به مطالعه تحلیلی اتلاف انرژی در دو رژیم ریزشی و غیر ریزشی و بازبینی مشخصههای هیدرولیکی روی تندابهای پلکانی پرداخته و نتایج خود را با نتایج آزمایشگاهی دیگر محققین مورد مقایسه قرار داد. وی با فرض وابسته بودن شروع جریان غیر ریزشی به دبی و شیب طولی تنداب و با استفاده از دادههای آزمایشگاهی دیگر محققین رابطهای برای شروع جریان غیر ریزشی ارائه داد.
همچنین نتایج نشان داد که در شوتهای طویل که امکان ایجاد جریان یکنواخت وجود دارد مقدار اتلاف انرژی در جریان غیر ریزشی بیشتر از جریان ریزشی و در شوتهای کوتاه اتلاف انرژی در جریان ریزشی بیشتر از جریان غیر ریزشی است.[4] خیانگجو و همکاران - 2006 - با استفاده از روش اختلاطی mixture و مدل آشفتگی k- RNG، جریان روی سرریزهای پلکانی را بهصورت عددی مدلسازی نمودند. نتیجه تحقیقات مشخص نمود که روش اختلاطی برتریهای زیادی در شبیهسازی عددی فشار منفی و جریانهای گردابی بر روی پلههای سرریزهای پلکانی دارد.[5]
نیکسرشت و همکاران - 2012 - به شبیهسازی عددی جریان دوفازی آب و هوا بر روی سرریزهای پلهای آستانه دار پرداخته و با مقایسه نتایج حاصل با نتایج مدل آزمایشگاهی نتیجه گرفتند که مدل اختلاطی و مدل تنشهای آشفتگی رینولدز، برای شبیهسازی جریان دوفازی بر روی سرریزهای پلکانی آستانه دار مناسب میباشد.[6] در این تحقیق به شبیهسازی عددی جریان هیدرولیکی دوفازی آب و هوا عبوری از روی سرریز پلکانی سد ژاوه در ناحیه جریان یکنواخت به کمک نرمافزار FLUENT پرداخته شده و مشخصههای هیدرولیکی جریان ازجمله عمق و سرعت جریان و فشار روی سطح افقی پلهها در ناحیه جریان یکنواخت استخراج و مورد تجزیهوتحلیل قرار گرفته است.
3. معادلات حاکم در مدل
امروزه با توجه به پیشرفتهای کسبشده در زمینه علوم کامپیوتر، استفاده از روشهای عددی بهعنوان ابزاری مناسب در تحلیل جریان سیالات محسوب میشود و دراینبین علم دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - کمک شایانی به محققین و مهندسین در حل معادلات پیچیده حاکم بر جریان نموده است. با توجه به ماهیت آشفته جریان آب و هوا بر روی سرریزهای پلکانی و اختلاط آب و هوا بر روی سطح آزاد جریان، مدل اختلاطی mixture از بین بقیه مدلهای چندفازی موجود بهخوبی قادر به شبیهسازی چنین جریانهایی بوده که در این مدلسازی از آن بهره گرفته شده است. تحقیق حاضر روی سرریز پلکانی سد ژاوه انجام شده است.
این سد از نوع RCC بوده و در 35 کیلومتری جنوب شهرستان سنندج بر روی رودخانه ژاوه در محل تلاقی رودخانه گاو رود و قشلاق واقع است. سرریز با طول تاج 55 متر و شیب شوت 50/19 - 1/2V: 1H درجه - روی بدنه سد جانمایی گردیده است. مشخصات هیدرولیکی جریان عبوری از روی سرریز پلکانی شامل، عمق جریان، سرعت و فشار به ازای چهار دبی مختلف 400، 800،500 و 970 مترمکعب بر ثانیه - از دبی پایین تا دبی طرح - موردبررسی قرار گرفت و نتایج مدل عددی با مدل فیزیکی مقایسه گردید. قابل ذکر است که اندازه گیری سرعت متوسط در آزمایشگاه توسط لوله پیتوت در 0/6 عمق از سطح آزاد آب و اندازه گیری فشار توسط پیزومترهای نصب شده در کف پله انجام شده است.
