بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای سه جانبی از جمله مجراهای تخلیه کننده سدها بوده که علیرغم محدودیتهای هیدرولیکی، در شرایط خاص توپوگرافی به عنوان بهترین انتخاب مطرح میشوند. تلفات زیاد انرژی، تلاطم و آشفتگی جریان و اعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف و دیوارههای کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی در این سرریزها بوده که باید مورد بررسی دقیق قرار گیرند. مدلهای فیزیکی بدلیل پیچیدگی جریان و همچنین تاثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم براین نوع مسائل نمیباشند و برای داشتن درک بهتر از فیزیک حاکم بر مسئله، لازم است این نوع جریانهای پیچیده بصورت عددی در کنار مطالعات آزمایشگاهی بررسی شوند.
در این مقاله با استفاده از نرم افزار FLOW-3D میدان جریان سه بعدی بر روی سرریز جانبی U شکل و آبپایه واقع در انتهای کانال جانبی، بهصورت عددی و با استفاده از مدل آشفتگی دو معادلهای k استاندارد مدلسازی و بررسی شده است. مقایسه نتایج عددی با دادههای آزمایشگاهی نشان میدهد که این مدل قابلیت پیشبینی الگوی سه بعدی جریان مزبور را دارد، اما در محل تشکیل گردهماهی در داخل کانال جانبی که ناشی از برخورد سفرههای جریان عمودی و جانبی می باشد، مقادیر عددی کمتر از مقادیر آزمایشگاهی بدست آمده است، که این موضوع را میتوان به نوسانات و اغتشاشات بیش از اندازه جریان در این ناحیه و عدم کفایت مدل آشفتگی k استاندارد ارتباط داد.
1. مقدمه
سرریزهای سه جانبی از جمله مجراهای تخلیه کننده سد ها بوده که علیرغم محدودیتهای هیدرولیکی، در شرایط خاص توپوگرافی به عنوان بهترین انتخاب مطرح میشوند. در مناطقی که محدود کردن ارتفاع سد با طویل شدن تاج سرریز همراه بوده و تکیهگاه دارای شیب تند و بهصورت پرتگاه باشد و پی سنگی خوبی نیز موجود باشد، کاربرد این سرریزها بهترین انتخاب است . در صورت تند بودن شیب دیوارههای تکیهگاه، ممکن است ورودی آب به داخل کانال جانبی فقط از یک طرف انجام پذیرد. لکن اگر شیب تکیهگاه بسیار ملایم باشد و یا کانال جانبی در یک تپه کوچک تعبیه شده باشد، جریان میتواند از ابتدای کانال و یا حتی از سمت دیگر نیز وارد کانال جانبی سرریز گردد. به نوع خاصی از این سرریزها که جریان از ابتدا و طرفین وارد کانال جانبی میشود، سرریز سهجانبی - سرریز U شکل - گویند
تا بهحال یک روش کامل و دقیق برای طراحی این سرریزها جامعیت پیدا نکرده است. غالبا سعی گردیده با ساخت یک مدل هیدرولیکی و تغییر پارامترهای موثر در عملکرد هیدرولیکی این سرریزها، به شرایط بهینه هیدرولیکی مدل دستیافته و نتایج حاصل به نمونه اصلی تعمیم داده شود. اغتشاش و نوسانات فشار در کانال جانبی این سرریزها زیاد می باشد بهطوریکه نمیتوان معادله دینامیکی خاصی برای پروفیل سطح آب در آنها ارائه کرد
تئوری جریان در این نوع بخصوص از سرریزهای جانبی نیز همچون سرریزهای یک جانبی بر اساس قانون بقای مومنتم استوار است. اما تفاوتهایی بین جریان در کانال های جانبی این دو نوع سرریز وجود دارد. در سرریز های جانبی با کانال یکطرفه فرض می شود تنها نیروی محرک در کانال، از افت سطح آب در جهت جریان حاصل میشود. بدین ترتیب فرض میگردد که کلیه انرژی جریان در روی تاج سرریز، پس از ریزش به داخل کانال جانبی و درآمیختگی با آب داخل کانال مستهلک شده و لذا هیچ کمکی به جریان داخل کانال نمیکند. سرعت محوری فقط هنگامی بوجود میآید که ذرات آب ورودی به جریان آب داخل کانال میپیوندد
همانطور که در شکل 1 دیده میشود، در سرریزهای سهجانبی، جریان از قسمت ابتدائی تاج سرریز - بخش قوسی آن - ، که مولفه سرعت در جهت جریان در داخل کانال جانبی سرریز دارد، به جریان آب داخل کانال کمک میکند. این جریان سعی در خارج نمودن و انتقال هر چه سریعتر امواج وآشفتگیهای داخل کانال به روی تنداب دارد، حال آنکه لازم است آشفتگی های داخل کانال جانبی - حوضچه - از بین رفته و جریان مستهلکشده وارد تنداب گردد. در کانال آب بر سرریزهای جانبی، عمق آب در کنار دیوارههایی که ریزش در آنها صورت میگیرد، کمتر از طرف دیگر آن میباشد. در صورتیکه در کانال های سرریزهای سهجانبی، عمق آب در محور مرکزی کانال افزایش مییابد و به شکل یک گردهماهی در میآید
شکل - 1 پلان و پروفیل یک سرریز سهجانبی
تاکنون مطالعات زیادی برای درک ارتباط بین پارامترهای موثر و چگونگی اثر آنها در جریان بر روی سرریزهای تک جانبی صورت گرفته است. مانند کارهای هیندز - Hinds 1926 - ، فارنی و مارکوس - Farney and Markus 1962 - ، ین و ونزل - Yen and Wenzel 1970 - ، برمن و هگر - Bremen and Hager 1989 - و کوچکزاده و همکاران در سال .1382 اما مطالعات محدودی در مورد عملکرد هیدرولیکی سرریزهای سهجانبی صورت گرفته است و اغلب کارهای انجام شده به مسئله بهبود و اصلاح عملکرد هیدرولیکی جریان روی این سرریزها پرداخته است
از جمله مطالعات انجام شده در ارتباط با سرریزهای سه جانبی میتوان به مطالعات فارنی - Farney 1962 - ، نایت - Knight 1989 - و مطالعات موسسه تحقیقات آب - 1374 - اشاره کرد. مطالعات موسسه تحقیقات آب بر روی شکل آبپایه، ارتفاع و محل نصب آن و تراز کف کانال جانبی در سه مدل هیدرولیکی سرریزهای سد شهید یعقوبی، جره و سیوند بوده است. مطالعات فارنی و نایت بر روی ضریب تخلیه و میزان آبگذری مدل هایی از این سرریزها بوده است
صالحی نیشابوری و منتظر در سال 1374 به مطاله کلاسیک بر روی تعدادی از پارامترهای موثر بر عملکرد هیدرولیکی این سرریزها پرداختند. ایشان با تعریف نوسانات فشار به عنوان تابع هدف و پارامترهایی چون ارتفاع آبپایه، محل آبپایه، شیب کف کانال جانبی و عدد فرود جریان ورودی به عنوان پارامترهای موثر، مطالعات جزئیتری روی این سرریزها انجام دادند. ایشان بیان کردند که افزایش ارتفاع آبپایه تاثیر چشمگیری در کاهش تلاطم جریان و نوسانات فشار داخل کانال جانبی سرریز دارد و تغییر محل آبپایه در فاصله بین ابتدای کانال جانبی تا ابتدای تندآب، تاثیر چندانی در میزان شدت آشفتگی ندارد
دانشبد و طالب بیدختی در سال 1388 بوسیله مدل عددی Fluent، جریان بر روی سرریز سهجانبی سد سیوند را مدلسازی کردند. البته مطالعات ایشان بیشتر متوجه مدل های آشفتگی، روشهای حل معادلات حاکم و کارائی مدل عددی بوده است
در این تحقیق با استفاده از نرم افزار FLOW-3D میدان جریان سه بعدی بر روی سرریز جانبی U شکل و آبپایه واقع در انتهای کانال جانبی، به صورت عددی و با استفاده از مدل آشفتگی دو معادلهای k استاندارد مدلسازی و بررسی شده است.
2. مشخصات هندسی و هیدرولیکی میدان
برای کالیبراسیون و امتحان مدل عددی از دادههای آزمایشگاهی مدل هیدرولیکی سرریز سد جره موجود در موسسه تحقیقات آب استفاده گردیده است. البته لازم بهذکر است که طرح نهایی سرریز سد جره بهدلایل مسایل فنی و نیاز به سرریز با ارتفاع تاج بالاتر به سرریز دریچهدار تغییر یافت و اجرا گردید. کلیه آزمایشها بر روی مدل هیدرولیکی یک سرریز سهجانبی انجام گردیده است. طول کل تاج سرریز 2 متر بوده که وجه بالادست آن قوسی از یک دایره به شعاع 41/24 سانتیمتر و زاویه مرکزی 164 درجه و طول 1/18 متر تشکیل شده و وجوه جانبی بهصورت خطوط مستقیم که هریک بهطول 41 سانتیمتر و با زاویه ثابت 8 درجه به تدریج باز میگردند تشکیل شده است. همچنین یک آبپایه به شکل یکچهارم بیضی در انتهای کانال جانبی قرار دارد
کارشناسان هیدرولیک با آزمایش و کسب تجربیات، حداقل عمق مجاز آب روی سازه در مدل را 3 سانتیمتر تعریف کردهاند .[11] با توجه بهاینکه به ازای دبی 11 لیتربرثانیه، عمق آب بر روی سرریز 2/2 سانتیمتر مبیباشد و همچنین دبی طراحی در مدل 177 لیتربرثانیه است [1]، این دو دبی به عنوان حداقل و حداکثر دبی انتخاب شدند. از اینرو نتایج آزمایشگاهی دبیهای 11، 55 ، 113 و 177 لیتربرثانیه مورد استفاده قرار گرفته شده است.
3. حل عددی
3,1 روابط حاکم بر میدان
معادلات حاکم بر حرکت سیال عبارتنداز معادله پیوستگی و معادله مومنتم، که برای جریان آشفته تراکم ناپذیر با لزجت و چگالی ثابت بهصورت معادلات - 1 - و - 2 - بیان میشود
3,2 معادلات پروفیل سطح آزاد
موقعیت سیال در ترمهای تابع حجم سیال - VOF - تعریف می شود .F - x,y,z,t - این تابع بیانگر حجم سیال بر واحد حجم و بصورت معادله زیر است:
ضرایب پخش بصورت / f = & - می باشد، که CF یک ثابت است که عکس آن بعضی اوقات مربوط به عدد اشمیت آشفتگی می شود، تعریف می شود. این ترمهای پخش تنها برای اختلاط آشفتگی دو سیال که توزیع آنها به وسیله ی تابع F بیان می شود، کاربرد دارد.
ترم FSOR مربوط به منبع دانسیته RSOR در معادله پیوستگی جرم است. FSOR برابر با نرخ زمانی تغییرات تابع حجم یک سیال که همراه با منبع جرم برای آن است، می باشد.
تفسیر F وابسته به نوع مسئله ای است که مدل می شود. مسائل غیرقابل تراکم شامل یک سیال منفرد با سطح آزاد یا دو سیال با سطح مشترک است. برای یک سیال منفرد، F بیانگر جمع حجم اشغال شده با سیال است، بنابراین جاهایی که F=1 است سیال و جاهایی که F=0 حباب و حفره داریم. نواحی حبابی و خالی نواحی هستند که جرم سیال آنجا نداریم و یک فشار یکنواختی درآن ها حاکم است.
به تعبیر فیزیکی این نواحی محل هایی هستند که بخار یا گاز با دانسیته قابل صرف نظر در مقابل سیال، پر شده باشند. مسائل دارای دو سیال، ممکن است متشکل از دو سیال غیر قابل تراکم یا یک سیال غیر قابل متراکم و یک سیال متراکم شده باشد. F بیانگر کسر حجمی سیال غیرقابل تراکم در هر مورد است، و نواحی مکمل با کسر حجمی 1-F بیانگر سیال دومی است
