بخشی از مقاله
چکیده
سرریزها از انواع سازههای هیدرولیکی میباشند که با اهداف مختلف در سیستمهای انتقال آب مورد استفاده قرار میگیرند. در این پژوهش، با استفاده از نرمافزار Flow3D به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان عبوری از سرریز مرکب لبهپهن مستطیلی- ذوزنقهای با شیب جداره 1:4 با وجههای شیبدار پاییندست و بالادست پرداخته شده و توانایی مدل عددی در شبیهسازی این نوع سرریز مورد ارزیابی قرار گرفته است.
این مدل برای تحقیق در مورد رفتار یک، دو و سهبعدی دینامیک سیالات در محدوده کاربردی وسیعی طراحی شده است. برای صحتسنجی مدلهای آشفتگی نرمافزار در پیشبینی عمق بالادست سرریز، از دادههای آزمایشگاهی یانکای رن استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با آن مقایسه گردید. نظر به نتایج شبیهسازی، مدل آشفتگی RNGK- از قابلیت بهتری جهت شبیهسازی الگوی جریان و سنجش عمق بالادست سرریز برخوردار است.
-1 مقدمه
برای عبور دادن آبهای اضافی از سرآب به پایاب سدها از سازه ای به نام سرریز استفاده میشود. از آنجایی که سرریز جریان را از حالت زیر بحرانی به حالت فوق بحرانی تبدیل می کند، امکان فرسایش شدید آبی در پایانه سرریز وجود دارد، بنابراین سرریزها بگونهای باید طراحی شوند که هیچگونه صدمه عمدهای به خود سازه و همچنین محیط اطراف آن وارد نشود.
محققین زیادی به بررسی عملکرد سرریزهای لبهپهن با طراحیهای مختلف پرداختهاند که عموما مربوط به شیب وجههای پاییندست و بالادست متقارن میباشد. هاگر5 و شوالت - 1994 - 6 توزیع سرعت جریان و فشار هیدرواستاتیک را در فواصل مختلف روی تاج سرریز لبهپهن با شیب 90 درجه بررسی نمودند. فیتز7 و هاگر - 1998 - ضریب دبی جریان را برای سرریزهایی با شیب وجههای مساوی 1:2 ارائه دادند. آنها نشان دادند دبی جریان را میتوان در صورتی که جداشدگی روی گوشههای بالادست کاهش یابد، افزایش داد.
گوگاس8 و همکاران - 2006 - با ساخت مدلهای فیزیکی مختلف تحقیقات وسیعی روی عملکرد سرریز لبهپهن با مقطع مرکب با ارتفاعهای مختلف ارائه نمودند. شکری و همکاران - 1387 - تأثیر شیبدار کردن وجه بالادست و پاییندست سرریزهای لبه پهن مستطیلی بر ضریب دبی و مشخصات جریان را مورد بررسی قرار دادند. بررسیها نشان داد که ضریب دبی جریان سرریز با تغییرات شیب پاییندست تقریبا ثابت میماند در حالی که با تغییر شیب وجه بالادست سرریز، ضریب دبی جریان متناسب با کاهش شیب بالادست افزایش مییابد.
به منظور افزایش بهرهوری از سرریزهای ساده، راهحلهای مختلفی پیشنهاد شده است. نجم9 و همکاران - 2002 - از ترکیب یک سرریز لبهتیز مستطیلی و یک دریچه کشویی برای جلوگیری از رسوب گذاری در جلوی سرریز و نیز عبور آسان اجسام شناور استفاده کردند. اجرای چنین سیستم یا سازه ترکیبی میتواند کاربردهای فراوانی در طراحی سرریزها، مهندسی رودخانه، سدهای تأخیری در تغذیه مصنوعی و ایجاد سدهای اصلاحی و حتی شیبشکنها در بستر رودخانه داشته باشد. تحقیقات فرو - 2000 - 10، هیاوی11 و همکاران - 2008 - ، شهابی و همکاران - 2011 - و کاهه و همکاران - 2013 - در زمینه هیدرولیک جریان و رسوب در سیستم سرریز - دریچه قابل اشاره است.
به تازگی ترکیب سرریزها با شکلهای مختلف کاربرد زیادی پیدا نموده که به آنها سرریزهای مرکب گفته میشود. از مزایای سرریز مرکب این است که در جریانهای با شدت کم، قسمت مرکزی سرریز بصورت منفرد عمل کرده و اندازهگیری جریان را با توجه به شکل سرریز در قسمت مرکزی با دقت و حساسیت مناسبی انجام میدهد - یاسی و عباسپور، . - 2005 همچنین در جریانهایی با شدت زیاد، دهانه بالایی سرریز، مانع افزایش زیاد سطح آب در بالادست سرریز شده و اندازهگیری دبی را با دقت قابل قبولی امکانپذیر میسازد. اولین بار سازمان احیای اراضی امریکا - 1963 - از یک سرریز لبهتیز مثلثی - مستطیلی برای اندازهگیری جریان استفاده نمود. مزیت مهم اینگونه سرریزها، دقت مناسب در اندازهگیری دبی در محدوده وسیعی از شرایط جریان کمآبی تا سیلاب است.
یاسی و عباسپور - 2005 - با بررسی جریان در سرریز لبهتیز مرکب مثلثی - مستطیلی با زاویه راس 90 درجه در حالت با و بدون فشردگی جانبی به این نتیجه رسیدند که با افزایش ارتفاع سطح آب روی سرریز و در محدوده تداخل جریان در مرز سرریزهای مثلثی و مستطیلی، ضریب دبی به صورت متناوب افزایش و کاهش مییابد.
مارتینز 12و همکاران - 2005 - با بررسی آزمایشگاهی یک سرریز لبهتیز مرکب مثلثی، این نوع سرریز را برای استفاده در سدهای رسوبگیر در حوضههای کوهستانی پیشنهاد نمودند. پیراتیپان13 و همکاران - 2006 - نیز با بررسی آزمایشگاهی همین نوع سرریز مرکب با زوایای راس 60، 90 ،120 و 150 درجه، رابطه دقیقی برای محاسبه دبی جریان سرریز مرکب مثلثی - مثلثی ارائه نمودند.
جان14 و همکاران - 2006 - با انجام یک سری آزمایش، دبی جریان برای چهار نوع سرریز مرکب را اندازهگیری نمودند. در این آزمایشها، از ترکیب سرریزهای مستطیلی - مستطیلی، مستطیلی - ذوزنقهای، مثلثی - مستطیلی و مثلثی - ذوزنقهای استفاده شده است. محدودیت این چهار نوع سرریز مرکب این است که به دلیل ایجاد ناپیوستگی در منحنی دبی - اشل سرریز، اندازهگیری تراز سطح آب در محل اتصال سرریزهای پایین و بالا دارای حساسیت زیادی بوده و محاسبه دقیق دبی در این ناحیه غیر ممکن است.
در مطالعات فوق برای محاسبه دبی جریان و استخراج رابطه دبی - اشل در سرریزهای مرکب از مجموع دبی سرریزهای ساده - به صورت ترکیب خطی - به عنوان دبی کل سرریز مرکب استفاده شده است. محمدی و همکاران - 2010 - دبی جریان در سرریزهای مرکب را به کمک شبکههای عصبی مصنوعی محاسبه نمودند. دقت این نتایجتقریباَ معادل نتایج روابط تئوری سرریزهای ساده گزارش شده است.
با توسعه تکنیکهای پیشرفته عددی، قابلیت مدلسازی جریان متلاطم امکانپذیر شده است. از این روشها برای تعیین پروفیل سرعت، توسعه لایه مرزی، دبی جریان و تلاطم جریان میتوان استفاده نمود. با توجه به اینکه در جریان متلاطم روی سرریز، دو فاز آب و هوا وجود دارد، شبیهسازی عددی جریان با استفاده از مدلهای آشفتگی استاندارد و با در نظر گرفتن روش جز حجم - VOF - به نتایج دقیقتری منجر میشود بنابراین شبیهسازی الگوی جریان و سطح آزاد آب مورد توجه محققین قرار دارد در این راستا در این مقاله، توانایی مدل Flow3D در شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان عبوری از سرریز مرکب مستطیلی - ذوزنقهای مورد ارزیابی قرار گرفت.
لیو15 و همکاران - 2002 - جریان روی سرریزهای نیمدایرهای را شبیهسازی نمودند. در این تحقیق از مدل آشفتگی K-استاندارد و روش VOF برای بررسی پروفیل سطح آب استفاده شده است. هارگریوز 16و همکاران - 2007 - روش VOFرا برای شبیهسازی پروفیل سطح آب در سرریز لبهپهن ارزیابی نمودند و نتایج مناسبی بدست آوردند.
رامامورتی17 و همکاران - 2009 - به شبیهسازی سهبعدی الگوی جریان در سرریزهای لبهتیز ساده با نرمافزار Flow3D پرداختند. در این مقاله از ایده بهتری برای محاسبه دبی سرریزهای لبهتیز مرکب استفاده شده است. شبیهسازی عددی جریان روی سرریزهای لبهپهن ذوزنقهای شکل توسط هان18 و همکاران - 2011 - انجام گرفت. در این پژوهش از مدل عددی Flow3D و روش VOF برای بررسی پروفیل سطح آب استفاده شد. باغبان گلپسند و همکاران - 1393 - به بررسی عددی رابطه دبی - هد در سرریز مرکب لبهپهن مستطیلی با قوسهای ابتدائی با مدل فلوئنت پرداختند.
در این پژوهش سرریز لبهپهن مرکب با مقطع مستطیلی - مستطیلی با اندازههای مختلف در قسمت عرض مرکزی سرریز و ارتفاع سرریز با استفاده از 25 مدل عددی مورد بررسی قرار گرفته و تأثیر تغییر این پارامترها بر روی فاکتورهای ضریب دبی، ضریب سرعت و رابطه دبی- هد مورد بررسی قرار گرفت.
تکرلی و همکاران - 1393 - به ارزیابی مدل Flow3D در تحلیل خصوصیات هیدرولیکی سرریز لبهپهن مرکب مستطیلی پرداختند. مقایسه نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی نشان داد که این مدل قابلیت پیشبینی الگوی سهبعدی جریان روی سرریز مورد مطالعه را با دقت مناسب دارد. بنابراین، با تغییر در ابعاد سازه، به بررسی تأثیر تغییر هندسه سازه بر پارامترهای هیدرولیکی ازجمله ضریب دبی، ضریب سرعت و آستانه استغراق بهصورت عددی پرداخته شد.
