بخشی از مقاله
چکیده
در سرریز سدهای بلند، به دلیل سرعت بالای جریان هرگونه تغییر در هندسه کانال شوت سرریز موجب جداشدگی جریان از جداره کانال و کاهش موضعی فشار هیدرولیکی از فشار بخار آب گردیده و با بروز پدیده کاویتاسیون و تشکیل و اضمحلال حبابهای بخارآب در نزدیکی بستر، خطر تخریب و خوردگی سطح بتنی جدار را به دنبال خواهد داشت. موثرترین راه حل موجود جهت مقابله با این خطر تعبیه سیستم هواده در بستر کانال شوت و تزریق هوا به داخل جریان میباشد.
از آنجایی که مطالعه سیستم های هواده جریان با ساخت و انجام آزمایشات مدلهای هیدرولیکی مستلزم صرف هزینه و وقت زیادی می باشد. امروزه با توسعه نرمافزارهای مختلف کامپیوتری و دانش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - ، استفاده از روشهای عددی در مطالعه گستردهتر و دقیق جریانهای دو فازی رواج بیشتری یافته است. درتحقیق حاضر جریان در نزدیکی سیستم هواده تعبیه شده در بستر سرریز آزاد سد گاوشان بالاخص بلاقاصله پایین دست رمپ هواده به صورت عددی شبیهسازی شده و از نرمافزار Fluent با فرض ورودی هوا ازطریق سیستم هواده استفاده شده است.
در این مدل گسستهسازی معادلات میانگین رینولدزی ناویراستوکس - RANS - به روش حجم محدود بوده و جهت جداسازی سطح آزاد جریان از روش حجم سیال - VOF - و مدل توربولانسی K- استفاده گردیده است. فشار، سرعت جریان و دیگر مشخصههای هیدرولیکی مشخص شده و جهت صحتسنجی مدل، از نتایج آزمایشات مدل هیدرولیکی سیستم تخلیه سیلاب سدگاوشان استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل عددی تطابق قابل قبولی با نتایج آزمایشگاهی در پیش بینی الگوی جریان دوفازی در پایین دست هواده را داراست.
مقدمه
سرریزها برای تخلیه سیلاب مخازن سدها سازه های مناسبی به شمار می آیند. در سرریزهای بلند به دلیل بالارفتن سرعت جریان، فشارهای موضعی از فشاربخار آب کمتر شده، پتانسیل وقوع کاویتاسیون افزایش یافته و در صورت تداوم این روند می تواند باعث خسارت در بتن سرریز گردد. در بین سال های 1960 تا 1980 چندین خسارت شدید درسطح بتن سرریز و پی آنها ناشی از پدیده کاویتاسیون گزارش شده است
هرنوع روزنه، برآمدگی، ناهمواری، گوشه های تیز و یاتعویض ناگهانی سطح مقطع باعث ایجاد کاویتاسیون می شوند
کاویتاسیون یک فرایند برگشت پذیر بوده در حالیکه خسارت ناشی از آن قابل برگشت نبو ده ازاینرو بایستی توجه ویژه ای بدان صورت گیرد. معمول ترین راه حل برای جلوگیری از خسازت کاویتاسیون، افزایش تراکم پذیری سیال در نزدیکی کف سرریز می باشد. این افزایش در تراکم پذیری باعث جذب شوک حاصل از منفجر گشتن حباب های کاویتاسیون بعد از انتقال به مناطق با فشار بالاتر از فشار بخارآب توسط هوای ورودی به جریان می شود
در صورت تداوم وجود سرعت های بالا برروی سرریز، هوادهی طبیعی از سطح سرریز- که ناشی از برخورد لایه مرزی توربولانسی به سطح آزاد جریان می باشد- برای تامین هوای موردنیاز برای جلوگیری از خسارت کافی نبوده لذا بایستی از دستگاه ها یا اجزاء هوادهی برروی شوت سرریز استفاده گردد. دستگاه های هوادهی برای تولید هوا اعم از دفلکتور، رمپ، افست، پله و یا ترکیبی از آنها می باشند. در همه این موارد اختلاف فشار ایجاد شده در داخل هواده باعث مکش هوا به داخل جریان می باشد
پترکا - 1935 - و راسل و شیهان - 1974 - طی آزمایشات برروی نمونه بتنی نشان داده اند هوادهی 1-2 درصد نسبت به حجم جریان باعث کاهش اساسی درخسارت کاویتاسیون ومقادیر 5-7 درصد باعث ازبین رفتن کلی خوردگی بتن می شود
مدل های فیزیکی متعددی برای مطالعه خصوصیات جریان در آزمایشگاه های هیدرولیک ساخته شده اند اما همه آنها دارای هزینه های مطالعاتی بالایی بوده و زمان گیر می باشند. در ضمن در اغلب موارد قابلیت مطالعه رفتار جریان به صورت همزمان در مدل های هیدرولیکی میسر نبوده و بایستی مطالعات یکی پس ازدیگری صورت گیرد از اینرو امروزه به دلیل وجود کامپیوترهای با قدرت پردازش بالا و همچنین کدهای متعدد CFD مطالعه این خصوصیات با صرف هزینه و زمان کمتر میسر می باشد
اولین مطالعه عددی برای تعیین فشار روی تاج سرریز براساس جریان پتانسیل توسط کسیدی - Cassidy - در سال 1965 و به صورت دوبعدی صورت گرفت. نتایج حاصل از مدل عددی در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی دارای دقت قابل قبولی بوده و نتایج حاصل از تحقیق بیانگر تاثیر کم و ناچیز لزجت در تعیین سطح آزاد بوده است. ایکیگاوا و واشیزو در سال1973 به روش المان محدود و با در نظر گرفتن بعضی ساده سازی ها در معادلات، به مطالعه جریان برروی سرریز پرداخته اند
آزتورک و جیهان به روش عددی به مطالعه هوادهی به وسیله داکت های هوارسان شوت سرریزها پرداخته اند. نتایج حاصل برای مقدار هوای ورودی به داخل جریان با در نظرگرفتن اثر مقیاس دارای تطابق قابل قبولی با نتایج آزمایشگاهی می باشند - آزتورک و جیهان، . - 2009 ژیائو و همکاران توسط نرم افزار فلوئنت به تحلیل رژیم جریان در جریان های هوادهی شده می پردازند. در این تحقیق مقادیر سرعت و فشار در دو حالت استفاده از روش PISO و SIMPLE به دست آمده و نشان می دهند روش SIMPLE نسبت به روش PISO دارای دقت بالاتری در خروجی پارامترها می باشد
شمسایی و سلیمان زاده ،و کولاچیان و همکاران به روش های عددی و توسط نرم افزار فلوئنت، تاثیر هوادهی برروی مشخصه های هیدرولیکی جریان تخلیه کننده های تحتانی سدها به ازای بازشدگی های متفاوت دریچه مورد مطالعه قرار داده اند. همه نتایج تحلیل بیانگر دقت مناسب نرم افزار در پیش بینی فشار، سرعت، پروفیل سطح آزاد، ضریب هوادهی و اندیس کاویتاسیون در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی بوده و بیان می کنند هوادهی تاثیر قابل توجهی بر افزایش فشارهای موضعی و در نتیجه کاهش خسارت ناشی ازکاویتاسیون داشته است
در تحقیق حاضر به شبیه سازی جریان و تعیین پارامترهای هیدرولیکی در نزدیکی سازه هواده شوت سرریز سد گاوشان توسط نرم افزار فلوئنت - FLUENT - پرداخته شده است. برای تعیین دقت مدلسازی عددی از نتایج حاصل از مطالعات مدل هیدرولیکی سیستم تخلیه سیلاب سد گاوشان استفاده شده است.
شرایط جریان عبوری از روی هواده سرریز
مکانیسم ورود هوا در اثر پرش جریان به چهارمنطقه طبقه بندی می شود. در منطقه ورودی یا منطقه بالادست رمپ همراه با جریان توسعه یافته مقداری از سطح جریان به صورت طبیعی هوادهی می شود. در منطقه تبدیلی که طول آن برابر طول رمپ می باشد، به دلیل تغییرات گرادیان فشار برروی رمپ، تنش برشی در این منطقه کاهش می یابد.
تغییرات فشار از ابتدای رمپ تا تا محل خروجی جریان از آن کاهش یافته و گرادیان فشار منفی به وجود می آید. در منطقه هوادهی به دلیل اغتشاش شدید جریان، هوا از بالا و پایین وارد جریان می گردد. در نهایت در منطقه برخورد جت مقدار فشارآب به بیشترین مقدار خود رسیده و مقدارکمی نیز هوادهی در این نقطه صورت می گیرد. در ضمن، در نقطه برخورد جت، اغتشاش بسیاربالا بوده و افت انرژی شدیدی در این منطقه ایجاد می شود. در پایین دست محل برخورد نیز جریان رفته رفته حالت توسعه یافتگی خود را باز یافته و فشارها به فشارهای هیدرواستاتیکی نزدیکتر می گردند
مسئله مهم و قابل ذکر دیگر پر شدن هواده با آب یا به عبارت دیگر مستغرق شدن هواده می باشد. چانسون - 1995 - تحقیقاتی را در مورد مستغرق شدن هواده ها انجام داده است. در هواده های همراه با رمپ، برای جلوگیری از آن بایستی عدد فرود جریان از یک مقدار مشخصی بزرگتر باشد. برای هواده های بدون رمپ، نسبت ارتفاع افست به عمق جریان بالادست هواده دارای اهمیت است
