بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از کارآمدترین انواع مستهلک کنندههای انرژی در کانالهای باز، سراشیبهای بلوکی هستند که به دلیل اجرای ساده و نبود مشکلات خاص سازههای شیبشکن، در سالهای اخیر مورد توجه واقع شدهاند. این سازهها را میتوان نوع خاصی از شیب شکن های همراه با بلوک اغتشاشی و آرایش متفاوت در نظر گرفت. مدلهای فیزیکی مختلفی در آزمایشگاهها برای بررسی رفتار جریان روی این سازهها ساخته شدهاند، که صرف نظر از هزینه و زمانبر بودن آزمایشها، مشکلات ناشی از تغییرات مقیاس را نیز به همراه دارند.
امروزه با استفاده از کدهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - کارآمدتر، رفتار هیدرولیکی سیال به طور گستردهتری بررسی میشود. برای این منظور در این تحقیق از نرمافزار FLOW-3D استفاده شده است. این مقاله به شبیهسازی کیفی جریان بر روی یکی از انواع از سراشیبها پرداخته و الگو و شرایط مختلف جریان در ساختمان آن را بررسی مینماید.
در این تحقیق از فرض تراکم ناپذیر بودن سیال استفاده و از مدل سطح آزاد VOF برای استخراج سطح آزاد جریان استفاده شده است. نرمافزار با مدل آشفتگی شبیهسازی گردابههای بزرگ - LES - اجرا گردید. نتایج حاکی از کارا بودن این نرمافزار در مدلسازی جریان سیال بر روی سازههای مشابه با دقت بالاتر در دبیهای پایینتر میباشد.
مقدمه
سراشیبها بهطور طبیعی قسمتی از سازههای انتقال آب هستند که با یک شیب تند که در ادامه ملایم میشود، توصیف میشوند. وظیفه اصلی این سازهها پایدار کردن بستر، تثبیت شیب آن و در صورت تسلیح بستر با سنگ، استهلاک انرژی است 1]و .[2 سراشیبها بر اساس اندازه مصالحشان در بستر طبقهبندی میشوند، به این صورت که :[3]
· اگر اندازه مصالح بستر کوچک تر از مصالح اساس باشد، به آن سراشیب صاف1 گفته میشود.
· اگر اندازه مصالح بستر مساوی با مصالح اساس باشد، به آن سراشیب با مصالح اساس2 گفته میشود.
· اگر اندازه مصالح بستر بزرگ تر از مصالح اساس باشد، به آن سراشیب بلوکی3 گفته میشود.
در صورت بروز مشکلات استقامتی مصالح اساس در سراشیبهای با مصالح اساس، میتوان از تقویت استفاده نمود؛ به این صورت که بلوکها یا سنگهایی با اندازه درشتتر از مصالح اصلی روی سراشیب کار گذاشته میشوند تا مقاومت جریان را افزایش داده و تنشهای برشی منجر به خوردگی مصالح بستر را کم کنند. به این ترتیب سراشیب با مصالح اساس به سراشیب بلوکی تبدیل میشود .[1] در شکل 1 نمونهای از انواع سراشیب بلوکی نشان داده شده است.
تاماگنی1، و همکاران - 2010 - مروری کلی بر روشهای مختلف و فرضیات مورد نیاز هیدرولیکی در مورد سراشیبهای بلوکی انجام داده و با توجه به ترکیب بولدرها بر روی این سازهها تقسیم بندی جدیدی از آنان، ارائه نمودند. این تقسیمبندی در شکل 2 نشان داده شده و در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است. نوع A یا بلوکفرشها2 شامل طرح کلاسیک سراشیبهای بلوکی هستند که در آن بلوکها به صورت فشرده و مانند سنگ-فرش کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. بلوکها میتوانند در حالت یک، در لایه به دقت کنار یکدیگر قرار گرفته و بلوکهای درهم قفل شده3 را شکل دهند؛ یا در حالت دو بهطور تصادفی در دو یا سه لایه ریخته شوند.
نوع B با بلوکشاخههای4 جداگانه که به صورت گروهی با ترکیبهای مختلف هندسی - حالت ساختار یافته و خود ساختار یافته - ، و یا متفرق با تراکم مشخص - حالت ساختار نیافته - شناخته شدهاند. هر سه حالت زیر شاخه این نوع سراشیب، به دلیل وضعیت هندسی ناهمگون و متمایزتر - قابل تشخیصتر - به حالت طبیعی نزدیکتر هستند .[5] استهلاک انرژی بر روی سازه با کمک زبری منفرد یا ترکیبی ناشی از بلوکهای سنگی بزرگ به وقوع میپیوندد.
به علاوه بولدرها میتوانند در شکلهای مختلف ردیفی - ردیفهای مختلف - نصب شوند. برای تطابق با حالتهای خاص - آبراهههای - مسیلهای طبیعی، حالت خاصی از انواع ساختار یافته با بولدرهایی نصب شده در ردیفهای عرضی وجود دارد. برای حفظ پایداری کانال این نوع طراحی صرفا میتواند در مکانهایی که شیب از 1:10 تا 1:50 متغییر است، استفاده شود. شکل 3 ساخت و ساز چنین سراشیبی را در سیستم رودخانهای نشان میدهد .[6]
برای حفاظت از پیوستگی - تداوم - اکولوژیکی آبراهه، پارامترهای هندسی و هیدرولیکی با توجه به راهنمای آلمانی DVWK به موارد زیر محدود شدهاند. حداکثر سرعت جریان 2 متر بر ثانیه، طول خالص حوضچه - فاصله بین دو ردیف بولدر - 3 تا 5 متر، با - یا - حداقل 6 برابر کمترین ارتفاع آب باشد. اختلاف ارتفاع دو حوضچه متوالی کمتر از 0/2 متر و حداقل ارتفاع سطح آب در حوضچه بین 0/2 تا 0/4 متر باشد .[6]
نرم افزار مورد استفاده
برای شبیهسازی عددی از نرمافزار Flow-3D نسخه 9,3,2 استفاده شده است که نرمافزاری قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی1 میباشد. این نرمافزار برای تحقیق در مورد رفتار یک، دو و سهبعدی دینامیکی سیالات در محدودهی کاربردی وسیعی طراحی شدهاست. این برنامه از روش احجام محدود در شبکهبندی با ساختار استفاده مینماید که در یک شبکه منظم، شکل معادلات گسسته شده مورد استفاده نظیر معادلات گسسته شده در روش تفاضل محدود میباشد.
این نرمافزار از یک شبکه متشکل از سلولهای مستطیلی استفاده میکند. بر این اساس این نرمافزار از روشهای با دقت مرتبه اول و دوم در حل معادلات پیوستگی و مومنتوم بهره میبرد. Flow-3D برای شبیهسازی سطح آزاد از تکنیک VOF استفاده میکند. این تکنیک برای محاسبه سطح آزاد به صورت دوفازی و در عمق به صورت تک فاره عمل میکند. .[7]
صحت سنجی
برای صحتسنجی از مدلنتایجو کار آزمایشگاهی ماریو اُاِرتل - 2011 - که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه ووپرتال2 آلمان به انجام رسید [6]، استفاده شده است. پس از تعریف این مدل برای نرمافزار، تنظیم پارامترها و اجرای نرمافزار، نتایج آن با دادههای آزمایشگاهی مقایسه گردید.
مدل فیزیکی، مدل عددی، مشخصات هندسی و هیدرولیکی
مدل آزمایشگاهی ساخته شده در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه ووپرتال، یک سراشیب بلوکی با بلوکهای عرضی ردیفی با ابعاد واقعی به طول 30 متر و عرض 12 متر است که با مقیاس 1:15 ساخته شد. طول قسمت سراشیب این مدل فیزیکی 2 متر، عرض آن 80 سانتیمتر و اختلاف ارتفاع بالادست و پاییندست آن 6/7 سانتیمتر است. فاصله بین ردیف بلوکها حدود 33 سانتیمتر، ارتفاع بلوکهای بزرگتر تقریبا 6 سانتیمتر و ارتفاع بولدرهای کوچکتر تقریبا 2 سانتیمتر است. دبی بین 1 تا 75 لیتر بر ثانیه متغیر است. در شکل 4 مدل فیزیکی با دو مقدار دبی نشان داده شده است .[6]
