بخشی از مقاله
چکیده
جریانهای چگال طیف وسیعی از جریانها در محیط طبیعی و نیز مصنوعی - ساخته بشر - را شامل می شوند . متاسفانه به علت ماهیت پیچیده و اندازه گیر ی های میدانی و آزمایشگاهی با چنین جریانهایی بر خلاف جریانهای کانال های باز کمتر مورد مطالعه قرار گرفته اند.
در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی به خصوصیات جریان چگال در مسیرهای منحنی شکل پرداخته شود .مقطعی از کانال محدود ، دارای انحنای 180 درجه می باشد که طی 24 حالت مختلف با تغییر غلظت،شیب بستر،عدد فرود شبیه سازی شده که از 6 نوع مختلف مدل آشفتگی و 4 نوع مش بندی مختلف جهت رسیدن به مش و مدل آشفتگی بهینه استفاده شده و در نهایت به بررسی و مقایسه پروفیلهای کانتور سرعت ، غلظت ، چگالی و ...پرداخته می شود .
نتایج نشان داد که بهترین مدل آشفتگی ، مدل k از نوع RNG می باشد. در ارتفاع نزدیک با بستر ، هرچه غلظتها افزایش یابد ، چگالی جریان چگال افزایش می یابد و سرعت جریان چگال کاهش می یابد و با افزایش عدد فرود جریان چگال ، سرعت و چگالی جریان چگال در نزدیکی با بستر افزایش می یابد و در نهایت نتایج نشان داد که بهترین مدل انتخابی ، مدل شماره 20 می باشد.
-مقدمه
جریانهای چگال - غلیظ و یا دانسیته - جریانهایی هستند که به علت ورود یک سیال عموما سنگینتر به درون یک سیال سبکتر ایجاد می شوند. اختلاف دانسیته باعث بوجود آمدن جریان چگال می گردد ،که این تفاوت دانسیته می تواند به علت وجود ذرات معلق ریزدانه، املاح محلول ، دما باشد. به علت تفاوت دانسیته این جریان با دانسیته سیال محیطی روی آن، در سطح مشترک این جریان با سیال محیطی، گردابه هایی تشکیل می شوند که خود باعث ورود سیال محیطی به درون جریان چگال می گردند.
از این منظر می توان بیان نمود که خصوصیات جریانهای چگال از خصوصیات جریانهای معمولی کانال باز بسیار متفاوت می باشد.توزیع سرعت و غلظت در راستای قائم در جریانهای گلآلود در توزیع رسوبات در جریان نقش مهم و اساسی داشته و لذا بر بسیاری از جنبههای رسوب گذاری تاثیر می گذارند
امروزه با پیشرفت تکنیکهای شبیهسازی رایانهای و افزایش قدرت و کارائی کامپیوترهای شخصی تلاش در مدلسازی تعداد بیشتری از پارامترهای موثر شتاب گرفته است. به نظر میرسد اولین دسته از آزمایشات وسیع در خصوص پرش هیدرولیکی جریان غلیظ توسط گارسیا1 - 1993 - انجام شده است .ایشان در سال 1989، به منظور بررسی پدیده پرش هیدرولیکی در جریانهای غلیظ اقدام به انجام آزمایشاتی از طریق ساخت یک مدل فیزیکی نمود. آلتیناکار و همکاران - 1990 - 2 با بررسی های آزمایشگاهی، تاثیر یک شیب کم و رسوبگذاری ضعیف را روی رفتار رأس جریانهای غلیظ تجزیه پذیر، مورد بررسی قرار دادند.
گارسیا - 1992 - برای جریان غلیظ ماندگار که در برگیرنده رسوبات با دانه بندی ضعیف می باشد، مدلی را ارائه داد و از داده های آزمایشگاهی به منظور آزمون چندین فرض در ارتباط با توسعه مدل و اطلاعات اساسی مربوط به چنین جریانهایی و رسوبگذاری ناشی از آنها، استفاده نمود.
پکال و همکاران - 2000 - 3 تغییرات زمانی یک جریان غلیظ کدر را مورد بررسی قرار داد و یک سری زمانی در این خصوص ارائه کرد. ایمران و کاسم - 2004 - 4 به مطالعه جریان چگال در کانالهای منحنی دار محدود و نامحدود همراه با سیلاب دشت پرداخته اند و با انتخاب مدل عددی سه بعدی خصوصیات جریان از جمله سرعت و چگالی جریان چگال را مورد بررسی قرار داده اند.
ایمران و کاسم - 2004 - با استفاده از یک مدل عددی 3 بعدی، توسعه جانبی جریان دانسیته در کانالهای نامحدود و محدود شده مستقیم، مورد بررسی قرار گرفته است و از مدل توربولانس k جهت شبیه سازی استفاده گردیده است.
ایمران و کاسم - 2001 - به مطالعه و شبیه سازی عددی جریان های گل آلود رسوبی غوطه ور از یک رودخانه می پردازد با در نظر گرفتن مدل آشفتگی k معادلات ناویر استوکس را حل نمود. لی و یو - 1997 - به مطالعه آزمایشگاهی در حیطه جریان های گل آلود در مخازن می پردازد . مدل آزمایشگاهی آنها دارای ابعادی به طول 20 متر و عرض 20 سانتیمتر و ارتفاع 60 سانتیمتر تحت شیب بستر 0/02 می باشد و از ماده کائولین با وزن مخصوص 2/65 و سرعت متوسط میانگین 0/0106 - m/s - با اندازه ذرات 0/0068 mm به عنوان مواد معلق جریان استفاده شده است و به بررسی خصوصیات جریان گل آلود از جمله سرعت متوسط عمقی ، غلظت ، ضخامت و ... می پردازد.
پکال و همکاران - 2012 - 5 به ساختار تنوع جریان در کانال های سینوسی شکل که رسوبات وارد آن می شود پرداخته اند در این خصوص چند رودخانه سینوسی شکل که از شیب قابل توجهی برخوردار باشند را با هم مقایسه کردند. پیلز و همکاران - 2012 - 6 به پردازش جریان و ارتباط رسوبگذاری در کانالهای زیر دریایی سینوسی شکل و اثر فرسایش و رسوب بر این کانالها می پردازد و مشخص می نماید
در قسمتهایی از کانال که دچار فرسایش می گردد مواد فرسایش یافته در انحنا بعدی با توجه به مورفولوژی رودخانه رسوب گذاری شکل می گیرد . استراب و همکاران - 2011 - 7 با استفاده از فلوم آزمایشگاهی و با ورود جریان گل آلود به مطالعه و تاثیر تاثیر مکانیزم جریان گل آلود در کانالهای سینوسی شکل پرداخته اند مدل آنها حوضچه ای به ابعاد 5 متر طول و 5 متر عرض با ارتفاع 1/2 متر که سیلاب دشت آن می باشد و کانال سینوسی به عرض 20 سانتیمتر و عمق 11 سانتیمتر می باشد.
-1مواد و روش ها
در این تحقیق جهت حل معادلات متوسط-رینولدزی ناویر- استوکس8 در جریان چگال از یک بسته نرم افزاری - نرم افزار فلوئنت - که مبنای آن بر پایه دینامیک سیالات محاسباتی است استفاده شده است. به وسیله این نرم افزار از روش احجام محدود جهت حل معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم استفاده شده است. با استفاده از این روش میدان جریان را به تعدادی حجم کنترل تقسیم شده است و معادلات دیفرانسیل حاکمی که بر روی هر حجم کنترل می باشد را با استفاده از انتگرال گیری ، بر روی هر حجم کنترل معادلات دیفرانسیلی حاکم بر آن را به یکسری معادلات جبری گسسته تبدیل کرده وسپس معادلات به فرم ساده تری حل می گردند.
جهت مدلسازی و صحت سنجی نتایج از مدل ایمران و همکاران - 2004 - استفاده شده از ماده کائولین به عنوان مواد معلق - ماده غلیظ - با وزن مخصوص 2/65 با اندازه ذرات 0/0068 میلیمتر استفاده شده است و دبی واحد جریان و غلظت رسوبات به ترتیب 64/1 cm2 s و 0/00667 می باشد. دانسیته آب1000 k g m3 ، دانسیته جریان چگال و سرعت به ترتیب k g m3 1033 ، 16/1 cm s ، عدد فرود جریان 1/22و شیب بستر 0/00139می باشد.
همچنین جریان چگال ورودی در فاصله 0/054 متر وارد کانال می شود. در این تحقیق جریان در یک کانال محدود با انحنای 180 درجه به شعاع 0/684 متر قرار می گیرد .در محل اتصال با انحنای کانال، طول کانال در بالادست جریان 4/65 متر و در پایین دست آن 1/5 می باشد .طول کلی کانال 8/3 متر، عرض کانال در تمامی موقعیت ها 30 سانتیمتر و عمق آن 1 متر می باشد
لازم به ذکر می باشد این مدل با 4 شیب مختلف طولی 0/002 ، 0/005 ، 0/008 و 0/02 مدل سازی شده است و همچنین از 4 نوع غلظت مختلف 0/00667 ، 0/00727 ، 0/00859 و 0/01 و 4 نوع عدد فرود جریان مختلف 1/2 ، 3 ، 5 و 8 استفاده شده است . در این مدل مش بندی با تعداد تقسیمات88×13×38 ، 105×15×45 ،140×20×60 و 175×25×75 که به ترتیب از سمت چپ بیناگر جهت x ، y و z می باشد لازم به ذکر است که از 6 نوع مدل آشفتگی - مدل k - استاندارد ، RNG ، تحقیق پذیر - ، مدل خطی - - استفاده شده است. در شکل - 1 - و - 2 - به ترتیب نمای از k-w - استاندارد ، - SST و مدل - RSM از نوع کرنش-فشار مدل سازی و اعمال شرایط مرزی را مشاهده می نمایید.
شکل - : - 1 پلان و مقطع عرضی مدل
شکل - : - 2 شرایط مرزی مدل
