بخشی از مقاله
خلاصه
سرریزهای کنگره ای از نوع سرریزهای غیر مستقیم بوده که در عرض مسیر جریان به صورت زیگزاگی قرار گرفته و در پلان به صورت شکسته می باشندبروز اغتشاشات در سطح جریان و نوسانات فشار در محل برخورد تیغه جریان،تشکیل کاویتی - - Cavity هوا در زیر تیغه آبی، استغراق موضعی پایین دست تاج سرریز از جمله عوامل موثر بر الگو و آبگذری جریان سرریز کنگره ای محسوب می گردند.
در تحقیق حاضر با بکارگیری نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی prometech particleworks،میدان جریان سه بعدی عبوری از روی سرریز کنگره ای مثلثی و نحوه برخورد تیغه های آبی در پایین دست تاج سرریز و برخورد جریان سیال با دیواره کانال سرریز با استفاده از از روش لاگرانژی نیمه ضمنی ذرات متحرک - MPS - 1 شبیه سازی گردیده است.تطابق نتایج حاصل با نتایج نظیر آزمایشگاهی حاکی از قابلیت بالای روش لاگرانژی MPS1 در شبیه سازی جریان سرریز کنگره ای می باشد
.1مقدمه
سرریزهای کنگره ای از جمله سازه های هیدرولیکی برای تنظیم سطح آب و کنترل جریان در کانال ها،رودخانه ها و مخازن سدها بشمار می آیند. محور تاج این نوع سرریزها به صورت خط غیر مستقیم است و در پلان، سرریز از دیواره های متصل به هم و با شکل های هندسه مختلف مثلثی، ذوزنقه ای، مستطیلی و قوسی با تناوب در عرض جریان تکرار شونده تشکیل شده است به طوریکه سرریزهای کنگره ای بصورت زیگزاگی و غیر خطی در عرض مسیر جریان قرار داشته و در یک عرض معین، طول تاج بیشتری نسبت به سرریزهای متداول خطی دارند که به منظور تنظیم سطح آب در مخازن سدها و کنترل جریان در کانال ها مورد استفاده قرار دارد.[1] شکل - 1 - نشان دهنده ی اشکال مختلف تاج سرریزهای کنگره ای و همچنین نحوه عبور جریان از روی تاج آن ها در پلان بوده که در هر سیکل به سه قسمت تقسیم شده است.
شکل -1 انواع هندسه سرریز کنگره ای در پلان
از پارامترهای موثر بر دبی تخلیه سرریزهای کنگرهای میتوان به ارتفاع تاج، زاویه دیواره ها، تعداد سیکل ها، ضخامت و شکل تاج اشاره نمود دلیل اصلی استفاده از سرریزهای کنگره ای محدودیت فضای مورد نیاز جهت تعبیه تاج سرریز بوده که این محدودیت عرضی سبب کاهش ظرفیت تخلیه شده که بکارگیری سرریز کنگره ای ضریب تخلیه بالایی را نسبت به یک عرض محدود فراهم می کند هدف اصلی در طرح کنگره ای سرریز ، افزایش ظرفیت انتقال جریان روی سرریز با طول تاج ثابت و به ازای ارتفاع معین سطح آب در بالا دست سرریز است.
از مشکلات موجود در سرریزهای کنگره ای میتوان به تغییرات شدید مشخصه های هیدرولیکی جریان عبوری در پایین دست تاج سرریزبا توجه به شکل هندسی کنگره ای آنها و همچنین عدم وجود طرح بهینه برای شکل و ابعاد هندسی اینگونه سرریزها اشاره نمود برخورد تیغه های آبی عبوری از روی سرریز که نسبت به هم زاویه مشخصی دارند باعث کاهش دبی عبوری و بروز اغتشاشات جریان ریزشی و نوسانات فشار دینامیکی می گردد. با مستهلک کردن انرژی جریان های ریزشی از روی تاج سرریز کنگره ای می توان شدت برخورد و تداخل تیغه های آبی که عامل افزایش فشار هیدرواستاتیکی در محل برخورد بوده را کاهش داد
تحقیقات متعددی بر روی پارامترهای موثر بر آبگذری جریان عبوری از روی سرریزهای کنگره ای انجام شده از جمله آنها: تعیین ضریب تخلیه سرریزهای کنگره ای با تاج لبه تیز - تیلور، - 1968، مطالعه عوامل موثر بر دبی تخلیه سرریزهای کنگرهای در پروژه فریبالتس - میر، - 1980، تهیه نمودارهایی برای ضریب تخلیه سرریزهای کنگره ای با شکل تاج ربع دایرهای - لوکس و هینچلیف، - 1985،مطالعه بر روی شکل تاج سسریزهای کنگره ای مثلثی و نشان دادن برتری هیدرولیکی شکل تاج نیم دایره ای نسبت به شکل لبه تیز
مهبودی عطاری و حسینی، - [5] - 2015 بر روی سرریز های کلید پیانویی ذوزنقه ای از طریق آزمایش بر روی شش سرریز با عرض یکسان ولی شکل مختلف در پلان - سرریز ذوزنقه ای کلید پیانویی،سرریز کنگره ای مثلثی در پلان،سرریز کنگره ای مثلثی و ذوزنقه ای،سرریز با تاج تیز اریب یا مستقیم - مطالعات و آزمایشاتی انجام داده و دریافتند که سرریز کنگره ای کلید پیانویی ذوزنقه ای بیشترین مقدار دبی عبوری را در بین سرریزهای کنگره ای
دارد. همچنین بر روی پارامترهای موثر بر ضریب تخلیه این سرریزها بررسی هایی انجام شده و مشخص شد که نسبت طول به عرض - - L بیشترینW تاثیر و نسبت عرض دهانه - کلید - ورودی به عرض دهانه خروجی - - Wi کمترین تاثیر را بر روی ضریب تخلیه Cd سرریزهای کلید پیانویی دارد .
- 2003 - Flavey با انجام آزمایش هایی نشان داد که گرد کردن گوشه بالادست تاج سرریز کنگره ای سبب افزایش ضریب تخلیه سرریز کنگره ای می شود و علت آن راکاهش یا حذف ناحیه جداکننده جریان و در نتیجه کاهش اتلاف انرژی جریان بیان نمود.
در این تحقیق مدلسازی عددی جریان عبوری از روی سرریز کنگره ای مثلثی با استفاده از روش لاگرانژی نیمه ضمنی ذرات متحرک صورت گرفته تا با بررسی هد آب روی تاج و همچنین ضریب آبگذری این گونه سرریزها به وسیله نرم افزار Particleworks و مقایسه آن با داده های آزمایشگاهی،کارایی و دقت مناسب روش لاگرانژی MPS در بدست آوردن پارامترهای مورد نظر نشان داده شود.
.2مواد و روش ها
2؛1 روش MPS
در این تحقیق،جهت حل معادلات حاکم بر جریان سیال - بقای جرم و اندازه حرکت - ، روش تحلیلی نیمه ضمنی ذرات متحرک - - MPS و بسته نرم افزاری Prometech Particleworks مورد استفاده قرار گرفته است.این روش قابلیت شبیه سازی جریان های با سطح آزاد در هر دو حالت تراکم پذیر و تراکم ناپذیر را داشته و اخیر توسط Koshizuka و همکارانش - [6] - 1996 ارائه شده است.
در روش نیمه ضمنی ذرات متحرک یک سری نقاط درون یابی با توزیع دلخواه وجود دارند که در واقع همان ذرات سیال بوده که همراه با سیال حرکت کرده و خواص سیال را با خود حمل می کنند و کلیه متغیر های مساله به وسیله این تقاط درون یابی و همچنین توسط یک تابع درون یابی محاسبه می گردند.در واقع در این روش از یک تابع درون یابی برای تبدیل معادلات حاکم به فرم انتگرالی استفاده می شود.این توابع انتگرالی یک تخمین مرکزی از متغیرهای ناحیه در یک نقطه را بدست می آورند.اطلاعات تنها در یک سری نقاط مجزا مشخص است و انتگرال ها به وسیله جمع زدن بر روی یک سری نقاط مجاور هم محاسبه می شوند.
2؛2 معادلات حاکم بر جریان
معادلات حاکم بر جریان سیال شامل بقای جرم و اندازه حرکت در فرم لاگرانژی به شرح روابط - 1 - و - 2 - میباشند.
در روابط بالا u بردار سرعت، t زمان، ρ چگالی سیال، P فشار، g شتاب ثقل و t لزجت گردابی سیال میباشد.
در روش های لاگرانژی بر خلاف روش های اویلری از شبکه بندی میدان حل استفاده نمی شود و در عوض این میدان به تعدادی ذره تقسیم شده که معادلات گسسته سازی بر روی این ذرات حل می شوند. در میدان حل هر ذره با ذرات همسایه خود اندرکنش داشته به گونه ای که در محدوده مشخص به نام شعاغ تاثیر - r - نزدیک ترین ذرات به ذره مدنظر بیشترین تاثیر و ذرات با افزایش فاصله خود از ذره مد نظر تاثیر کمتری بر آن ذره خواهند داشته و در خارج از محدوده شعاع تاثیر این اثر قابل چشم پوشی می باشد. . اثر هر یک از ذرات بر ذره مورد محاسبه با تابعی وزنی سنجیده میشود. وزندهی ذرات همسایه موجود در شعاع تأثیر یک ذره خاص، توسط تابع کرنل انجام میگیرد. تابع کرنل برای درونیابی کمیتهای فیزیکی در اطراف هر ذره استفاده میشود
در این روش، معادلات بر اساس دو سطح زمانی فعلی و آینده نوشته خواهند شد×؟معادلات به صورت نیمه ضمنی حل می شوند، یعنی بعضی جملات معادله به صورت صریح و برخی به صورت ضمنی در نظر گرفته می شوند×؟طبق این روش، منقطع سازی معادله ناویر؛استوکس در دو نیم گام زمانی انجام می شود.در نیم گام اول - مرحله پیش بینی - معادلات حاکم با حضور جملات لزجت و ثقل،بدون اعمال تراکم ناپذیری سیال به صورت صریح حل شده،ولی جمله فشار در نظر گرفته نمی شود.تا این مرحله،بقای جرم یا تراکم ناپذیری سیال ارضا نشده است.
