بخشی از مقاله
چکیده
سرریزهاي استوانهاي از جمله سازههاي کنترل و تنظیم سطح آب در کانالهاي انتقال آب و شبکههاي آبیاري و زهکشی بوده که داراي مزایایی از جمله ضریب دبی بالا، طراحی ساده و هزینه ساخت کمتر نسبت به سرریزهاي مشابه لبهتیز و لبهپهن میباشند. هیدرولیک جریان عبوري از این سازهها از مهمترین مسائل مورد توجه در طراحی میباشد.
در این تحقیق با استفاده از نرمافزار فلوئنت، به عنوان قدرتمندترین نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی و بهرهگیري از مدل آشفتگی k-ε RNG و مدل چندفازي VOF که براي مدل کردن سرریز استوانهاي توصیه شده، جریان عبوري از این سرریز شبیهسازي گردید. سپس با مقایسه پروفیل سطح آب حاصل از نرمافزار فلوئنت و دادههاي آزمایشگاهی، در دبی-هاي مختلف عبوري - 0/18 الی 2/22 لیتر بر ثانیه - براي سه قطر متفاوت استوانه، میزان دقت نرم افزار در شبیهسازي بررسی شد.
نتایج نشان داد که فلوئنت قادر به شبیهسازي جریان قبل و روي سرریز با دقت بالایی میباشد ولی در مدل نمودن میدان جریان پشت سرریز به دلیل پیچیدگی بوجود آمده ناشی از آشفتگی، جدایی خط جریان از جداره و بوجود آمدن گردابههاي محلی، داراي خطاي متوسط 27 درصد میباشد. لذا استفاده از این مدل در بدست آوردن میدان جریان در بالادست و روي سرریز با دقت قابل قبول توصیه میگردد.
-1 مقدمه
سرریزها سازههاي هیدرولیکی سادهاي میباشند که به علت داشتن روابط نسبتا دقیق و ساده، کاربرد فراوانی در کنترل و تنظیم سطح آب در شبکههاي آبیاري و زهکشی دارند. یکی از انواع این سرریزها، نوع استوانهاي آن میباشد که داراي مزایایی از جمله ضریبدبی بالا، طراحی ساده و عبور آسان اجسام شناور از روي آن نسبت به سرریزهاي مشابه لبهپهن و لبهتیز می-باشد.
شناخت چگونگی هیدرولیک جریان عبوري از سرریزها از دیرباز مهمترین مسئله مورد توجه در طراحی میباشد که یکی از راهکارهاي آن استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD است، اما معادلات ناویر-استوکس که به نوعی اساس CFD است به قدري پیچیده و وابسته به هم میباشند که حل آنها براي یک سیال حقیقی تا سالهاي 1970 و آن هم به کمک کامپیوتر ممکن نشد ولی امروزه با پیشرفت رایانه، استفاده از روشهاي عددي براي حل مسائل جریان سیال، بیشتر صورت میپذیرد.
این روش در واقع تحلیل سیستمهاي شامل سیال بر اساس شبیهسازي رایانهاي است و فلوئنت که اولین بار در سال 1985 ارائه گردید، یکی از قدرتمندترین نرمافزارهاي دینامیک سیالات محاسباتی است که از روش حجممحدود بهره گرفته و قادر به حل مسائل جریان سیال، جریانهاي چندفازي، انتقال حرارت، احتراق، فرایندهاي شیمیایی و غیره میباشد.
در تحقیقاتی که در مورد سرریز استوانهاي بصورت عددي انجام پذیرفته میتوان به تحقیق مختاري و همکاران - - 1389 اشاره نمود که مدلهاي چندفازي را در شبیهسازي جریان روي سرریزهاي تاجدایرهاي مورد بررسی قرار داده و به برتري مدل VOF در تعیین سطح آزاد روي این سرریز پی بردند.
نتایج تحقیق ورجاوند و همکاران - - 1389 از شبیهسازي جریان روي سرریزهاي استوانهاي با استفاده از مدل آشفتگی k-ε RNG در فلوئنت و مقایسه نتایج با مدل فیزیکی نیز تطابق خوبی بین این مدل و مدل فیزیکی در بررسی مشخصههاي هیدرولیکی جریان عبوري از سرریزهاي استوانهاي را نشان داد.
اسماعیلی و همکاران - - 1389 با مدلسازي آزمایشگاهی و عددي الگوي جریان در سرریزهاي استوانهاي، با استفاده از دادههاي سرعت و تغییرات فشار، تطابق خوب الگوي جریان اندازهگیري شده در آزمایشگاه و مدلسازيشده با فلوئنت و دقت بالاي مدل k-ε RNG را نتیجه گرفتند.
عباسپور و هاشمیکیا - - 1391 به شبیهسازي عددي جریان روي سرریز استوانهاي شکل صاف و زبر با استفاده از فلوئنت و مدل VOF پرداخته و به توانایی بالاي این مدل در تعیین سطح مشترك آب و هوا رسیدند. علاوه بر این، قرهگزلو و مسعودیان - - 1390 اثر قطر و هد آب روي سرریز استوانهاي را بر ضریب دبی مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که قطر سرریز بر میزان ضریب دبی عبوري موثر است. همچنین مسعودیان و قرهگزلو - - 2012 در بررسی پارامترهاي موثر بر جریان عبوري از سرریز استوانهاي در کانالهاي کوچک مشاهده کردند که ضریب دبی با افزایش هر یک از اعداد بیبعد رینولدز، وبر، عمق آب روي سرریز به شعاع سرریز و همینطور عمق آب روي سرریز به عمق آب بالادست، افزایش مییابد.
مرور منابع نشان میدهد که علیرغم اهمیت رفتار جریان در پشت سرریز استوانهاي از نقطه نظر آشفتگی و نقطه جدایش جریان از بدنه، روي هیدرولیک سازه از جمله ضریب دبی، اکثر محققان با استفاده از فلوئنت تنها جریان عبوري از سرریز استوانهاي را در دبیهاي زیاد و در نیمه اول سرریز استوانهاي - قسمت ورودي - ، تحلیل نمودهاند، لذا در این تحقیق سعی می-گردد جریان عبوري هم در بالادست و هم در پایین دست سازه استوانهاي و در دبی کم با استفاده از نرمافزار فوق مدلسازي شود و با مقایسه دادههاي آزمایشگاهی میزان دقت شبیهسازي در قسمتهاي مختلف محاسبه و تحلیل گردد.
-2 مواد و روشها
-1-2 مدل عددي
براي استفاده از روشهاي CFD ابتدا لازم است که میدان جریان را با استفاده از شبکه، گسستهسازي شود تا بتوان معادلات را براي المانهاي کوچک حل نمود. در این تحقیق نیز تولید هندسه مسئله و شبکهبندي توسط برنامه گمبیت صورت پذیرفته و شرایط مرزي مورد نظر براي مسئله در آن تعریف گردید. در این شبیهسازي همانند جریانهاي کانال باز، از شرط مرزي ورودي فشار، براي بالادست و شرط خروجی فشار، براي پاییندست استفاده شد، در مرز فوقانی از شرط مرزي Symmetry و در مورد کف و بدنه سرریز نیز از شرط مرزي دیوار بهره گرفته شد که شکل زیر بصورت شماتیک مدل و شرایط مرزي آن را نشان میدهد.
شکل . 1 طرح شماتیک از هندسه و شرایط مرزي مدل عددي
بر اساس تحقیقات صورت گرفته و توصیههاي بعمل آمده، فلوئنت قادر به تعیین سطح مشترك آب و هوا با استفاده از فرمولاسیون VOF براي شبیهسازي سرریز استوانهاي در کانال باز، با دقت بالا، میباشد. این مدل که اولین بار توسط هیرت و نیکولس - - 1981 انتشار یافت، یکی از سه مدل چند فازي میباشد که در حلکننده بر پایه فشار قابل دسترس است. به دلیل شرایط و نوع مسئله، محاسبات در این شبیهسازي به شکل پایا در نظر گرفته شد.
با توجه به مسئله و تحقیقهاي ورجاوند و همکاران، اختلاف محسوسی بین مدل سهبعدي و دوبعدي وجود ندارد، بنابراین به دلیل هزینه محاسباتی کمتر، از مدل دوبعدي براي شبیهسازي و جهت مدل نمودن آشفتگی از مدل دو معادلهاي k-ε نوع RNG که توسط ارساگ و یاخوت - - 1986 ارئه شده، استفاده گردید که علاوه بر مزایاي مدل استاندارد آن، داراي مزایاي دیگري نظیر وارد کردن اثر چرخش در محاسبات و بهبود نتایج حاصل از تحلیل جریانهاي داراي انحناي زیاد، است
جهت کوپل کردن سرعت-فشار، از روش SIMPLE که بطور کلی براي حالت دائم استفاده میشود، بهره گرفته شد. این الگوریتم بطور اساسی یک روش حدس و تصحیح براي محاسبه فشار در شبکه میباشد که در مقایسه با دیگر روشها، روشهاي تکرار اقتصادي و پایداري را، ارائه میکند. جهت مجزاسازي معادله مومنتوم از روش مرتبه دوم پیشرو استفاده شد که این شیوه در فلوئنت میتواند به کاهش اثرات دیفیوژن عددي کمک نماید و همچنین Modified HRIC نیز بهعنوان جایگزین موثر جهت طرح بازسازي مجدد هندسی صریح، بهکار گرفته شد.
براي شروع حل مسئله از مقدار فاکتورهاي زیر تخفیف کمتر استفاده گردید و پس از مشاهده رفتار پایدار، مقادیر زیر تخفیف افزایش داده شد. جهت بررسی همگرایی حل، مقدار باقیمانده بدون بعد 0/001 مد نظر قرار گرفت که علاوه بر آن، مقدار دبی ورودي و خروجی نیز براي دقت بیشتر در همگرایی، مورد بررسی قرار گرفت.
-2-2 مدل فیزیکی
جهت واسنجی مدل عددي، آزمایشهایی در آزمایشگاه هیدرولیک گروه مهندسی آب دانشگاه علوم و منابع طبیعی ساري در فلومی به طول 6 متر، عرض 0/075 متر و ارتفاع 0/17 متر روي سرریزهاي استوانهاي از جنس پیويسی تو پر با سه قطر 40، 60 و 85 میلیمتر در محدوده دبی 0/18 الی 2/22 لیتر بر ثانیه، صورت پذیرفت. در تمامی این آزمایشها مقدار دبی بصورت وزنی اندازهگیري شده و براي بدست آوردن پروفیل سطح آب از عمقسنج نقطهاي با دقت 0/1 میلیمتر استفاده شد، که مقادیر قطر و دبیهاي مورد آزمایش در جدول زیر آورده شده است.
جدول . 1 مقدارهاي قطر و دبی مورد آزمایش در آزمایشگاه