بخشی از مقاله
چکیده
دراین تحقیق ساختار جریان در پیچ 90 درجه یک کانال آزمایشگاهی بدون و با حضور سرریز لبهتخت با تاج افقی در موقعیت 30 درجه پیچ با نرمافزار FLUENT شبیهسازی شده است. توزیع سرعت را در مقاطع مختلف عرضی پیچ بدون سرریز و در مقطع کنترل درحالتی که سرریز وجود دارد مورد بررسی قرار دادهایم. از دیگر اهداف مهم این تحقیق رسم پروفیل سطح آب در مقاطع مختلف عرضی پیچ و در مقطع کنترل بوده است.
در حالت بدون وجود سرریز سطح آب بهطور چشمگیری در محدوده پیچ به سمت دیواره خارجی بالا میرود وبرای قسمت داخلی پیچ وضعیتی برعکس مشاهده میشود. نتایج حاکی از این است که وجود سرریز تأثیر بسزایی در یکنواخت تر کردن توزیع سرعت در عرض کانال و یکنواخت تر کردن شیب پروفیل عرضی سطح آب دارد. در این تحقیق برای شبیهسازی سطح آزاد جریان از مدل VOF - Volume Of Fluid - استفاده شده است.
مقدمه
ویژگیهای جریان در پیچ رودخانهها نسبت به بازههای مستقیم بسیار پیچیدهتر است. وقوع جریان ثانویه یکی از خصوصیات غالب جریان در پیچها میباشد. جریان ثانویه - Secondary Current - جریان در امتداد عرضی رودخانه میباشد که در اثر اختلاف انرژی در عرض رودخانه - اختلاف سرعت بین سطح آب، کف، دیواره و محور رودخانه - ایجاد میشود
درپیچ یک آبراهه، بطور عمومی در اثر نیروی گریز از مرکز، خطوط جریان هنگام ورود به پیچ، ابتدا به سمت دیواره داخلی و سپس به سمت دیواره خارجی منحرف میشوند ودر نتیجه تمرکز خطوط جریان دردیواره خارجی بیشتر میشود، این امرموجب میشود که جرم به سمت دیواره خارجی پیچ هدایت شود و یک اختلاف ارتفاع در سطح آب بوجود آید و ارتفاع سطح آب در دیواره خارجی پیچ بیشتر شود. این اختلاف ارتفاع موجب ایجاد جریانی موسوم به جریان ثانویه میگردد
در سال 1950 شکری به بررسی الگوی جریان درپیچ رودخانهها با استفاده از مدل فیزیکی پرداخت و افزایش عمق آب در نزدیکی جداره خارجی را مورد بررسی قرار داد. او مشاهده کرد که برای یک قوس با انحنای کم محل وقوع حداکثر سرعت متوسطگیری شده در عمق در مقاطع عرضی برای قسمتی از نیمه اول قوس متمایل به جداره داخلی بوده و به تدریج به سمت جداره خارجی متمایل میگردد.
در سال 1957 رزفسکی به بررسی پروفیل سرعت در یک پیچ 90 درجه ملایم پرداخت. تحقیقات او نشان داد که محل وقوع حداکثر سرعت بعد از رأس پیچ به سمت جداره خارجی پیچ متمرکز میگردد، او مشاهده کرد که در قسمت ورودی پیچ، با کاهش عمق در نزدیکی جداره داخلی گرادیان فشار طولی زیاد در این ناحیه بوجود میآید و به همین علت سرعت حداکثر به طرف جداره داخلی متمایل میگردد.
با حرکت به سمت خروجی پیچ به تدریج به خاطر تأثیر جریان ثانویه محل وقوع حداکثر سرعت به طرف جداره خارجی متمایل میگردد. در محل خروجی پیچ علاوه بر وجود جریان ثانویه، گرادیان فشار طولی زیادی در طول جداره خارجی به خاطر کاهش عمق جریان وجود دارد. این دو پدیده در کنار هم باعث میشود تا انحراف محل وقوع حداکثر سرعت به سمت جداره خارجی بیشتر از قبل گردد.
شارکر وهمکاران در سال 2002 جریان را بر روی یک سرریز لبهتخت درون یک فلوم مستقیم با استفاده از مدل FLUENT به صورت دوبعدی شبیهسازی کردند. فلوم مورد نظر دارای عرض 10/5 سانتیمتر و طول 334 سانتیمتر بوده است؛ و یک سرریز لبهتخت بدون فشردگی جانبی با عرض تاج 40 سانتیمتر، طول تاج برابر عرض فلوم - 10/5 سانتیمتر - و ارتفاع 10 سانتیمتر در میانههای فلوم واقع شده است. ایشان از مدلهای تلاطمی مختلفی مثل - - K- در حالت Standard استفاده کردهاند. تنشهای رینولدز به وسیله معادلات رینولدز ناویر استوکس - RANS - مدل شدهاند، و برای شبیهسازی سطح آزاد جریان از مدل دو فازی VOF بهره جستهاند
در سال 1386رستمآبادی با استفاده از نرمافزار FLUENT به بررسی پروفیل سرعت در مقاطع مختلف کانال 180درجه با استفاده از مدل-های آشفتگی از جمله RSM، K- و K- پرداختند
ولی محمدی مقیم درسال 1389 ساختار جریان در پیچ 90 درجه را بدون حضور و با حضور سرریز لبهتخت در مقاطع مختلف به صورت آزمایشگاهی بررسی کرد. با توجه به نتایج آزمونهای تجربی ایشان میتوان گفت سرریز لبه تخت با تاج افقی تأثیر بسزایی در یکنواخت-ترکردن توزیع سرعت و پروفیل عرضی سطح آب داشته است.[7]
مواد و روشها
-1 مدل FLUENT
FLUENT به صورت دو بعدی یا سه بعدی و بر اساس روش حجم محدود میدان جریان را تحلیل می نماید. ویرایشهای اولیه این نرم-افزار تنها شبکه منظم متعامد را تحلیل مینمود اما ویرایشهای جدید این نرمافزار شبکه نامنظم را نیز تحلیل میکند. اکثر استفادهکنندگان نرمافزارFLUENT از این کد به منظور تحلیل جریانهای تراکم پذیر و انتقال حرارت بهره میجویند. اما در حل مسائل هیدرولیکی و بخصوص در رسته جریان سطح آزاد این نرمافزار چندان مورد عنایت واقع نشده است.
مدلهای تلاطمی مختلف شامل K- - 6WDQGDUG' 51*' 5HDOL]DEOH - و K- و RSM برای شبیهسازی در نرمافزار FLUENT وجود دارد، مدل تلاطمی K- بیشتر برای جریانهای با رینولدز پایین و دو مدل دیگر برای جریانهای با رینولدز بالا مانند جریان در آبراههها و ... استفاده میشوند.
با توجه به تأثیر قوس بر سطح آزاد جریان، لازم است تغییرات سطح آب در داخل میدان مورد نظرتوسط مدل عددی تعیین شود. لذا از روش جزء حجم - VOF - موجود در نرمافزار استفاده شده و میدان جریان به صورت دو فازی در نظرگرفته شده است. روشهای متفاوتی برای محاسبه سطح مشترک بین دوفاز در VOF وجود دارد. از جمله
الف: روشdonor acceptor
ب: روش geometric reconstruction یا روش یانگز. طرح واقعی سطح مشترک دو فاز و طرح در نظر گرفته شده در هر یک از این دو روش در شکل - 1 - نشان داده شده است
در این تحقیق چون از مدل VOF در حالت Steady استفاده شده است، باید از روش Modified HRIC که شبیه به روش یانگز و جایگزین بسیار قوی برای آن میباشد، برای محاسبه سطح مشترک بین دوفاز آب و هوا استفاده کرد.
شکل - : - 1 الف : روشdonor acceptor ب : روش یانگز یا روش geometric reconstruction ج : طرح واقعی سطح مشترک دوفاز
به طور کلی مراحل حل یک مسأله دینامیک سیالات محاسباتی به صورت زیر است:
-1 تولید شکل - هندسه مسأله - . - 2 شبکهبندی در نرمافزارهای پیش پردازنده مثل -3 .GAMBIT انتقال شبکه از پیشپردازنده به نرمافزار محاسبهگروبررسی شبکه تولید شده. -4 انتخاب شیوه محاسباتی و فرمولبندی حل. -5 انتخاب معادلات اساسی که باید حل شوند مثل آرام یا متلاطم. -6 تعیین خواص. -7 تعیین شرایط مرزی. -8 تنظیم کردن پارامترهای کنترلکننده حل. -9 مقداردهی اولیه به میدان جریان. -10 شروع کردن محاسبات. -11 امتحان کردن نتایج محاسبات. -12 ذخیره نتایج و بهینهسازی شبکه، حل و مدل فیزیکی - اگر نیاز باشد - .
نرمافزارGAMBIT یک نرمافزار تهیه شبکه یا به عبارت دیگر نرمافزار تهیه هندسه مسأله برای حل میدان می باشد، در این نرمافزار محدوده میدان جریان تعیین می شود ونحوه مشبندی میدان محاسباتی و نوع مرزهای حاکم بر میدان جریان مشخص میگردد. این نرم-افزار هندسه جریان را برای برنامههای متعددی مانند FIDAP وFLUENT 4 وFLUENT 5/6 و... تهیه میکندکه بدین منظور نحوه ارسال اطلاعات برای مدل نمودن توسط نرمافزار مقصد مشخص گردد
مراحلی که این پیشپردازنده به آن می پردازد به صورت زیر می باشد:
-1 تولید هندسه. -2 تولید کردن شبکه. -3 تعریف کردن نواحی مختلف برای حلالهای مختلف مانندFLUENT 5/6 و...
-2 شبیهسازی جریان در پیچ بدون سرریز
میدان حل مورد نظر عبارت است از یک فلوم آزمایشگاهی مطابق شکل - 2 - با شیب کف 0/002، بازه مستقیم بالادست به طول 8 متر، پیچ 90 درجه با انحنای نسبی 3 متر و بازه مستقیم پاییندست به طول 6/5 متر با عرض 0/92 و عمق0/6متر میباشد. جنس کف و دیوارهها از سنگ پلاک با ارتفاع زبری تقریبی 0/3 تا 0/4 میلیمتر میباشد. لازم به ذکراست که طول بازه بالادست پیچ در مدل فیزیکی برابر 8 متر میباشد، ولی در شبیهسازی عددی برابر 5 متر در نظرگرفته شده است، چون طبق کارهای آزمایشگاهی از ابتدای این بازه 5 متری بالادست پیچ جریان توسعه یافته و میتوان شرط مرزی ورودی را اعمال کرد. جدول - 1 - مشخصات هیدرولیکی میدان حل در شرایط بدون سرریز میباشد.
جدول - : - 1 مشخصات هیدرولیکی میدان جریان
شکل - : - 2 مشخصات کانال آزمایشگاهی
مطابق شکل - 3 - برای شرایط مرزی حاکم بر میدان حل در ورودی از شرط مرزی دبی جرمی ورودی - Mass-Flow Inlet - عمود بر مرز فازهای آب و هوا، برای خروجی کانال و سطح بالای جریان از شرط مرزی فشار خروجی - Pressure Outlet - ، برای مرزهای صلب از شرط مرزی دیوار استفاده کردهایم. مدل تلاطمی k- 6WDQGDUG طرح پیشرو مرتبه دوم - Second Upwind Order - به منظور انفصال جملات جابجایی معادلات استفاده شده است. از الگوریتم سیمپل - Simple - برای کوپل کردن جملات سرعت و فشار استفاده شده است.
