بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیه سازی عددی جریان متلاطم بستر صلب در اطراف سه آبشکن عمود بر دیواره کانال، با حل معادلات سه بعدی ناویراستوکس با استفاده از نرم افزار FLOW 3D ارائه شده است. سه مدل آشفتگی ، k-و RNG با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شدهاند و مدل آشفتگی k- مدل دقیقتری دیده شد. پروفیلهای سرعت در جهتهای سه گانه نشان داده شد و بر نمودارهایی مقایسه شدند و خطای هرکدام از مدلها نسبت به نتایج آزمایشگاهی محاسبه شد.
-1 مقدمه
از جمله روشهای حفاظت از سواحل رودخانهها، انحراف جریان با استفاده از آبشکنهاست که عملکرد آن بهصورت ایجاد یک جریان آرام بهمنظور رسوبگذاری جریان در نزدیکی آبشکن، محافظت از ساحل با دور نگه داشتن جریان از آن، تشکیل و ایجاد دیوارهی ساحلی است. جریانهای اطراف آبشکن بهصورت جریان چرخشی نعل اسبی در نتیجهی برگشت آب در بالادست و همچنین جریان چرخشی با محور قائم بنام جریان فونکارمن در پایین دست است. انتخاب بهترین مدل آشفتگی جهت شبیه سازی میدن جریان اطراف آبشکن ها زمینه ساز تحقیقات عددی زیادی شده است.
از سال 1980 آنالیزهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - ، به عنوان یک ابزار طراحی دقیق هیدرولیکی پدیدار شده است و مدلها و نرمافزارهای - CFD - همچون فلوئنت، Ansys و FLOW 3D، به منظور تحلیل میدان جریان سیالات و بررسی تنشها وو نیروهای موجود ارائه شده است. نرم افزار هیدرودینامیکی سه بعدی FLOW 3D، میتواند به طور مؤثر و مکمل در کنار مطالعات آزمایشگاهی پیچیده و مرکب جریان اطراف سازههای هیدرولیکی را مدل کند. در تحقیق حاضر با استفاده از این نرم افزار میدان جریان سه بعدی متلاطم در اطراف یک آبشکن در فلوم آزمایشگاهی با استفاده از سه مدل آشفتگی شبیه سازی شده و در نهایت با توجه به خطای هرکدام از مدلها نسبت به مدل آزمایشگاهی بهترین مدل آشفتگی انتخاب شده است.
ناگاتا و همکارانش در سال 2005 یک مئل سه بعدی شامل معادلات متوسط رینولدز ناویر اتوکس، برای شبیه سازی جریان اطراف آبشکن به کار گرفتند
در سال 2009 ژانگ و ناکاگاوا نیز به بررسی جریان متلاطم در اطراف یک آبشکن غیر مستغرق به صورت آزمایشگاهی و عددی با روش حجم محدود و استفاده از مدل آشفتگی k- پرداختند وماهیت طبیعی میدان جریان سه بعدی را مورد بررسی قرار دادند .[2] در سال 2011 آچاریا، با استفاده از نرم افزار FLOW 3D به بررسی سری آبشکن های قائم و زاویه دار و تحلیل مدلهای آشفتگی جریان و بررسی دقت آنهادر برآورد توزیع سرعت اطراف آّشکن ها پرداخت
-2 معادلات حاکم
نرم افزار FLOW 3D، معادلات سه بعدی ناویر استوکس را روی شبکه محاسباتی منظم و غیر یکنواخت حل مینماید و توانایی مدل کردن مسائل جریانهای سطح آزاد و نمایش نتایج با قرت گرافیکی بالا را دارا میباشد. معادلات حاکم بر جریان تراکم ناپذیر سیال، قانون بقای جرم رابطه - 1 - و معادله مومنتم متوسط گیری شده زمانی رابطه - 2 - میباشد.
که در آن V بردار سرعت، P بیانگر فشار، f نیروهای حجمی و μ ویسکوزیته میباشد. D/Dt بیانگر مشتق مادی بوده و به صورت - - / W / [+9 ⃗,∇ تعریف میگردد.
نرم افزار FLOW 3D، با استفاده از روش حجم سیال - VOF - هندسه سطح مشترک سیال و هوا در سطح آزاد و با استفاده از روش کسر مساحت- حجم مانع - FAVOR - ، سطوح و حجم موانع جامد و مرزهای هندسی صلب را شبیه سازی مینماید. با این روش شبکه محاسباتی مستطیلی بدون انحراف میتواند برای بررسی مشخصات جریان با حضور مانع بررسی شود و حجم و مساحت باز درون هر سلول محاسباتی را که با مانع پر شده است تعیین نماید.
FLOW 3D، مدل غیر هیدرواستاتیک است و میتواند ابعاد منطقه جدایی جریان و wake ایجاد شده پشت موانع را مدل نماید. در مدلهای غیر هیدرواستاتیک که فرضیات ساده کننده در معادله مومنتم اعمال نمیشود این معادله با روش تکرار حل میشود. این نرم افزار با مقادیر فشار و سرعت جریان در مرحله زمانی قبل، مقادیر متوسط را بدست میآورد که با استفاده از رابطه بقای جرم بررسی میگردد
این نرم افزار شامل چندین مدل برآورد آشفتگی جریان میباشد که در این مطالعه از مدلهای آشفتگی LES، k- و RNG استفاده شده است. ویسکوزیته سینماتیکی تلاطم با انرژی سینماتیکی تلاطم - k - و شدت استهلاک انرژی - - مرتبط است.
ضرایب تجربی استاندارد مدل آشفتگی k- شامل Cʽ= 0/09، C1 =1/44 ، C2 =1/92 ،1/3 k=1 میباشند. مدل
آشفتگی گروه نرمال شده مشابه مدل آشفتگی با ضرایب ثابت اصلاح شده شامل Cʽ= 0/085، C1 =1/42 ،
C 2 =،k=0/7194 0/7194 میباشد
ایدهی اساسی مدل LES نیز اینست که تمام ساختارهای تلاطم که قابل محاسبه با استفاده از شبکه محاسباتی هستند، به طور مستقیم محاسبه شوند و فقط ساختارهای ریزی که قابل محاسبه نیستند، تقریب زده شوند.
در مدل LES، اثرات آشفتگی که خیلی کوچکاند و قابل محاسبه نیستند با یک لزجت آشفتگی، که متناسب است با یک مقیاس طول ضربدر معیاری از نوسانات سرعت در آن مقیاس، نمایش داده میشوند. Smagorinsky از یک میانگین هندسی ابعاد سلول شبکه برای مقیاس طول استفاده میکند و نوسانات سرعت را با حاصلضرب بزرگی L و تنش برشی متوسط مقیاس میکند. این کمیتها برای ارائه لزجت گردابی سینماتیکی LES با هم ترکیب میشوند:
-3 معرفی مدل آزمایشگاهی
اطلاعات مورد استفاده جهت تهیه مدل، کالیبراسیون و انجام مقایسهها از تحقیق انجام گرفته بهصورت مدل فیزیکی در دانشگاه امیرکبیر - کرمی، - 1390 تهیه شدهاند
برای اینکه مدلسازی ریاضی جریان سیال و پدیدهی آبشستگی بهدرستی صورت گیرد، بایستی مشخصات کامل مدل فیزیکی تعیین شود.
آزمایشها در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه امیرکبیر انجام شد. یک فلوم به طول 14 متر، عرض 1 متر و عمق 1 متر جهت انجام آزمایشها استفاده شد. بستر و کنارههای فلوم از جنس شیشه ساخته شدهاند.
سه آبشکن نفوذپذیر و غیر مستغرق به طول 25 سانتیمتر و ضخامت 1 سانتیمتر و عمود بر دیواره نصب شدهاند. اولین آبشکن در فاصلهی 6/16 سانتیمتری از ورودی کانال نصب شده است. آبشکنهای دوم و سوم نیز بهترتیب با فاصلهی 50 سانتیمتری از آبشکن اول و دوم نصب شدهاند - فاصلهی بین آبشکنها به اندازه دوبرابر طول آبشکن هاست - . ابعاد آبشکنها براساس پیشنهادات ژانگ و گیسونی ایجاد شدهاند طوقها نیز طبق شکل 3 نصب شدهاند.
در آبشکن اول بهعلت آبشستگی بیشتر با ابعاد 25 سانتیمترو در آّبشکنهای بعدی با ابعاد 12/5 سانتیمتری قرار داده شدهاند. آب بهوسیلهی یک پمپ از مخزن اصلی به کانال انتقال مییابد و یک دریچه قابل تنظیم در پاییندست، عمق پایاب را تنظیم مینماید. دبی ورودی با استفاده از یک شیر ورودیوَلو - - تنظیم شده و با استفاده از یک سرریز مستطیلی اندازهگیری میشود.
