بخشی از مقاله
چکیده:
تونلهای انتقال آب در سازههای هیدرولیکی با توجه به کارکردشان و همچنین سرعت بسایر بالای جریان عبوری از آن ها با حساسیت بالایی در تجزیه و تحلیل و نیز طراحی برخوردار هستند . در شبیهسازی جریان درون تونل مدلهای آشفتگی خاصی تا کنون پیشنهاد شده اما پیچیدگی زیاد و هزینه بالای محاسباتی، مهندسان را در استفاده از آنها با چالش روبرو کرده است . در این مقاله سعی شده تا شبیهسازی اجزاء محدودی با معادلاتی ساده تر صورت پذیرد و مقدار خطا و انحراف بررسی گردد، لذا پس از برآورد نتایج میتوان با توجه به کارکرد سازه، ارزش محاسباتی را ارزیابی نمود.
.1 مقدمه
طراحی موفق و بهرهبرداری از سازههای هیدرولیکی نیازمند ابزار موثر و قابل اعتماد برای استفاده در انواع مسائل، از جمله سرریزها1، آبگیرها2، یا خروجیهای تحتانی3 میباشد. با توجه به اثرات سه بعدی، امواج سطحی و هوازایی 4، این جریانها دارای ویژگی های پیچیدهای هستند. چالشهای اصلی مربوط به برآورد دقیق ضرایب تخلیه، تلفات اصطکاکی، جزئیات الگوهای جریان محلی، موقعیت سطح آزاد و هوازایی میباشد.
هوازایی - اختلاط هوا - به عنوان یکی از روشهای کارآمد و ارزان برای جلوگیری از خسارت حفرهزایی5 در پروژههای برق آبی شناخته شده است. انبساط ناگهانی6 و هواده ریزشی7 از جمله راههای هوازایی بوده که به طور گستردهای در تونل - های انتقال آب برای جریان با سرعت بالا استفاده می گردد. تا آنجا که به جریان مدل های فیزیکی مربوط می شود، الگوهای جریان مناطق متصل به دیوار جانبی8 تونلهای انتقال پیچیده بوده و اندازه گیری پارامترهای هیدرولیکی در آزمایشهای مدل فیزیکی آن بسیار دشوار است.
آخرین پیشرفتهای دینامیک سیالات محاسباتی 9 - CFD - ، استفاده از آنها را به جای مدلهای فیزیکی ترویج میدهد. برای تبدیل CFD به عنوان یک ابزار طراحی قابل اعتماد و قابل قبول، باید نتایج با استفاده از دادههای تجربی دقیق مورد تایید قرار میگرفت. در محاسبه جریان دو فازی هوا-آب، مدل حجم سیالVOF 10 و مدل مخلوط1 معمولا برای ردیابی سطح آزاد آب، از جمله در شبیهسازی سطح آب یک سرریز، جریان در حوضه آرامش، شفت و بسیاری از سازههای تخلیه کننده مورد استفاده قرار میگیرد.مطالعات انجام شده توسط کریم و مالی - 2000 - ، وی-لین و همکاران - 1996 - ، کان و همکاران - 2009 - ، وو و آی - 2010 - ، چن و همکاران - 2010 - نشان میدهد که مدل آشفتگی دو معادلهای k-ε یک ابزار مفید در شبیهسازی این نوع از جریانهای پیچیده آب است.
چن و همکاران - 2010 - شاخصهای اتلاف انرژی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش - چند جت افقی مستغرق - را با استفاده از مدل های آشفتگی VOF RNG k-ε و Mixture RNG k-ε مورد مطالعه قرار داده، با سلسله مدل های آزمایشگاهی اعتبارسنجی گشته و دریافتند که توزیع انرژی جنبشی متلاطم محاسبه شده با استفاده از مدل آشفتگی مخلوط منطقهای در حدود 18% بزرگتر، محاسبات با استفاده از مدل آشفتگی VOF به طور متوسط را پوشش داده، از این رو منطقه اتلاف انرژی محاسبه شده با استفاده از مدل آشفتگی مخلوط بهتر با وضعیت عملی حرکت جریان آب مطابقت دارد.
همچنین نشان دادند که مدل آشفتگی مخلوط بهتر از مدل آشفتگی VOF در محاسبه غلظت هوا است. ژانگ و همکاران - 2011 - الگوهای پیچیده جریان همراه با کاویتاسیون را با استفاده از مدل آشفتگی k-ε قابل اجرا 2 و مدل مخلوط شبیهسازی نمودند. نتایج محاسبه شده با نتایج تجربی و همچنین نتایج حاصل از مدل VOF مقایسه و تطابق خوبی را نشان داد. آنها دریافتند که مدل آشفتگی مخلوط نسبت به مدل آشفتگی VOF برتر است.
لی و همکاران - 2016 - جریان افشان3 در پایین دست یک دریچه شعاعی را با تلفیق یک مدل آشکارساز k-ε و مدل چند فازی مخلوط، مورد مطالعه قرار داده و رابطه ای بین فشار، شاخص کاویتاسیون، زاویه جانبی و عدد فرود پیشنهاد داند. بر اساس این رابطه و تطابق با نتایج آزمایشگاهی مشاهده شد که با کاهش زاویه واگرایی، فشار به تدریج افزایش یافته به طوری که شاخص کاویتاسیون جریان نیز افزایش مییابد. همچنین مطالعات نشان داد که میزان باز شدن دریچه تأثیر زیادی بر شاخص فشار و جریان حفره دیوارهای جانبی دارد.
ایشان اعلام کردند گسترش جانبی و بازشدگی جزئی دریچه، خطر فرسایش خلازایی را در پایین دست دیواره جانبی دریچه شعاعی افزایش میدهد. همانگونه که مشاهده شده اغلب محققین در شبیه سازی ها، از مدلهای آشفتگی بهره برده اند و هیچکدام اقدام به محاسبه مقدار خطای استفاده از معادلات پایه جریان ه مچون ناویر استوکس 4 را در مدلسازی نکردند . در این مقاله سعی بر شبیه سازی جریان آشفته با استفاده از معادلات ناویر استوکس شده با روش اجزاء محدود 5 شده تا صرفه استفاده از مدلهای سادهتر - توام با خطای زیاد - ارزیابی گردد.
