بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق آبشستگی پاییندست ناشی از جت مستطیلی آزاد خروجی از سرریز اوجی مدل تخلیه سیلاب سد مخرنی داریان که با مقیاس 1/50در مؤسسه مرکز تحقیقات آب ایران تهیه شده است با مدل سه بعدی Flow-3D که مبتنی بر روش حجم محدود است، بررسی گردیده است. بدین منظور پس از کالیبره کردن مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی مدل و انتخاب بهترین مدل عددی تهیه شده متشکل از4 مش بلوک با ابعاد سلول مختلف و بهینه با مجموع 1704000سلول، میزان حداکثر عمق، عرض و طول حفره آبشستگی، به ازای 6 دبی آزمایشگاهی 48، 161،113،96، 226و339 لیتر برثانیه،پس از شبیه سازی300 ثانیه بررسی گردید.
حداکثر عمق آبشستگی با خطای نسبی حداقل4,23 و حداکثر12,76 و میانگین خطای8,44 درصد نسبت به نتایج آزمایشگاهی بدست آمد و همچنین برای طول حفره آبشستگی میانگین خطای 6,39 درصد نسبت به نتایج آزمایشگاهی بدست آمد.به طور کلی نتایج نشان داد که با افزایش دبی، ابعاد حفره آبشستگی افزایش و آبشستگی پس از شبیه سازی200ثانیه به تعادل میرسد.دراین تحقیق از نسخه10.1 نرم افزار مذکور به دلیل ارائه نتایج دقیقتر نسبت به نسخه9.3 و از مدل آشفتگی RNG که نتایجی با خطای کمتر و منطقیتری نسبت به مدل آشفتگی k- نشان داد، استفاده شده است
1. مقدمه
سرریزها یکی از مهمترین تجهیزات سدها می باشند و طراحی آنها یکی از راههای ایمن جهت انتقال سیل به پایین دست می باشد. پدیده آبشستگی در پائین دست سازه ها بسیار حائز اهمیت بوده و پیش بینی آن قبل از ساخت سازه امری اجتناب ناپذیر در طراحی هر سازه ای می باشد. اتلاف انرژی در پایین دست سدهای بلند یک مسئله جدی است. استفاده از جت های آزاد مستطیلی در سازه های هیدرولیکی، یکی از با صرفه ترین روش های استهلاک انرژی است. هر ساله هزینه های سنگینی برای کنترل و جلوگیری از تخریب ناشی از آبشستگی در پایین دست سازه های آبی، در مواقع سیلابی و غیر سیلابی، صرف می شود.
از این رو پدیده آبشستگی در سازه ها بسیار حائز اهمیت است و پیش بینی آن قبل از ساخت سازه، امری ضروری برای هر طرح می باشد.[1] ازآنجاکه موضوع آبشستگی به دلیل کثرت عواملی که برآن تاثیرگذار هستند، دارای پیچیدگی بوده بیشتر مطالعات به صورت آزمایشگاهی انجام یافته است. ساخت و تهیه مدل فیزیکی نیاز به امکانات و هزینه زیادی دارد و استفاده از آن در همه ی شرایط امکان پذیر نمی باشد، لیکن استفاده از یک مدل عددی توانمند در این زمیته می تواند رهگشا باشد ونتایج مطلوب را با صرف هزینه و وقت کمتر ارائه دهد.[2]
لذا در این تحقیق نتایج حاصل از بررسی آزمایشگاهی آبشستگی پاییندست ناشی از جت مستطیلی خروجی از سرریز اوجی مدل تخلیه سیلاب سد مخرنی داریان با نتایج حاصل از شبیه سازی عددی با مدل سه بعدی Flow-3D10.1 مقایسه گردید تا توان مدل عددی در این زمینه را به آزمون گذارده و در شرایط مشابه از این نوع مدل به جای مدل آزمایشگاهی که دارای مشکلات خاص و هزینه های سنگین می باشد، استفاده شود.
2. پیشینه تحقیق
لیو و گارسیا - 2008 - ، به بررسی عددی 3 بعدی آبشستگی موضعی با سطح آزاد پرداختند. ایشان از روش - VOF - برای شبیه سازی جریان سطح آزاد آب و مدل -k برای آشفتگی بهره بردند. مقایسه نتایج حاصل از مدل عددی با نتایج مدل آزمایشگاهی حاکی از دقت مناسب روش عددی ایشان برای پیش بینی آبشستگی بود .[3] امیر اصلانی و همکاران - 1387 - پارامترهای هندسی- هیدرولیکی آبشستگی ناشی از جت های ریزشی آزاد را با نرم افزار Flow-3D مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنان نشان داد که در 10 ثانیه ابتدایی، تغییرات ابعاد چاله آبشستگی سریع است و به طور پیوسته این تغییرات آهسته تر می شوند.[4]
آذر - 1994 - ، با افزایش بر روی یک سرریز ریزشی آزاد نشان داد که افزایش q باعث افزایش ابعاد حفره آبشستگی می گردد.[5] Abida & Townsend - 1991 - نشان دادند که طول حفره آبشستگی - ls - نیز مانند عمق حفره با افزایش دبی افزایش می یابد و با کاهش عمق پایاب طول حفره افزایش می یابد. .[6] Aderibigbe and Rajaratnam - 1998 - در مورد اثر یکنواختی مصالح بستر بر میزان آبشستگی بستر توسط جت مستطیلی تحقیقاتی را انجام دادهاندو نشان دادند که غیریکنواختی مصالح تأثیر بسیار زیادی بر اندازه حفره آبشستگی در زمان تعادل دارد.[7]
علی و صالحی نیشابوری - 1991 - و هاگ - 1997 - مطالعاتی را در زمینه آبشستگی ناشی از جت ها در پایین دست سازه های آبی انجام دادند.[8] Van de sande & smit - 1976 - ، مطالعات خود را روی جت های با سرعت زیاد انجام دادند. بر اساس مطالعات این افراد، زاویه برخورد جت با سطح پایاب اثر قابل توجهی بر میزان هوادهی دارد.[9] مومنی و صالحیان - - 1385، به تحلیل آبشستگی در پایین دست جت های مستطیلی با استفاده از مدل های فیزیکی و عددی پرداختند که. نتایج حاصل از مدل Flow-3D با نتایج آزمایش های مدل فیزیکی مقایسه گردید و انطباق و همبستگی زیادی بین آنها مشاهده شد.[10]
3. معرفی مدل هیدرولیکی سرریز
سرریز سد از نوع اوجی ساده با پرتاب کننده های جامی شکل به طول 560 متر و عرض کانال ورودی 72 متر که برای ساخت آن 11 میلیون متر مکعب سنگبرداری و یک میلیون و دویست هزار متر مکعب حجم بتن ریزی به اجرا در می آید. مدل هیدرولیکی سیستم تخلیه سیلاب سد داریان متشکل از سه قسمت مخزن بالا - جزیی از دریاچه، بدنه سد، کانال ورودی - ، اجزای سیستم تخلیه سیلاب - سررسز اوجی، تنداب، پرتاب کننده - و مخزن پایاب، آبراهه پایاب و قسمتی از رودخانه ساخته شده است.
شکل - 1 - نمایی از مدل ساخته شده در آزمایشگاه مرکز تحقیقات آب ایران را نشان می دهد. همچنین پلان مدل هیدورلیکی سرریز سد داریان در شکل - - 2 نشان داده شده است. مصالح و رسوبات به کار رفته در آزمایش از نوع دانه بندی یکنواخت با قطر 7 میلیمتر استفاده شده است. همچنین چگالی نسبی ذرات - s - برابر با 2/57 گرم بر سانتیمتر مربع می باشد.
4. مدل عددی
در جریان هایی همراه با تلاطم و آشفتگی از معادلات متوسط گیری شده زمانی جهت در نظر گرفتن اثرات آشفتگی استفاده می شود. بنابراین از معادلات پیوستگی و معادلات مومنتم - رینولدز - استفاده می شود. - - 1 که در آن - - دانستیه سیال، - - u j مولفه سرعت جریان با میانگین زمانی، - - P فشار دینامیکی و - - - u i u j تنش آشفتگی می باشد. تنش آشفتگی به کمک رابطه بوزینسک مطابق رابطه ذیل مدل شده است. - - 3
برای مدل سازی عددی در این مقاله از مدل عددی 3 بعدیFlow-3D استفاده گردید. این مدل، یک نرم افزار قوی در زمینه CFD می باشد که برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی و وسیع طراحی شده است. Flow-3D برای مسائل یک بعدی، دو بعدی، و سه بعدی طراحی شده و در حالت ماندگار نتایج در زمان بسیار کمی حاصل می شود.
زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقای انرژی، پایه گذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینه ای به کار برده شوند. در Flow-3D سطح آزاد با تکنیک - Volume of fluid - VOF مدل می شود. همچنین برای مدل کردن آشفتگی جریان در نرم افزار، از مدل RNG استفاده شده است. یکی از قابلیت های Flow-3D این است که این نرم افزار با ایجاد مش بندی می تواند حل عددی را به عنوان راه حل مسئله انتخاب کرده و نقاط مجهول را با استفاده از نقاط معلوم حل کند. هر چه این مش بندی کوچکتر باشد جواب های به دست آمده دقیقتر خواهد بود. روش های عددی متعددی برای حل مسائل وجود دارد. Flow-3D یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده می کند.[6]
برای رسوبات موجود در حالت معلق دو حالت وجود دارد: -1 حالتی که رسوبات به وسیله گرادیان فشار محلی به صورت شناور و معلق در می آیند. -2 حالتی که رسوبات ته نشین شده تحت فرسایش قرار می گیرند و حرکت می کنند. رسوبات در صورتی می توانند ته نشین شوند که صورت حرکت رسویات شناور و معلق به سمت رسوبات ته نشین شده خیلی سریعتر از فرسایش رسوبات باشد.[7]
