بخشی از مقاله
خلاصه
تخلیه کننده تحتانی سذها یکی از اجزای مهم این سازه ها میباشند که در معرض مشکلات هیدرولیکی متعددی می باشند. نوسانات فشار، یک ملاحظه طراحی برای دامنه وسیعی از سازه های آبی می باشد. علاوه بر آن عملکرد سازه به وسیله نوسانات فشار تحت تاثیر قرار میگیرد. عمدتا این پدیده در سازه های آبی که جدایی جریان در آنها بوجود می آید، در سرعت های بالا و فشار های کم اتفاق می افتد.
این تحقیق با استفاده از نرم افزار Flow-3D ، برروی دریچه سرویس و در بازشدگی های مختلف 60، 80 و %100 در سه ارتفاع آب مختلف 4و 5 و6 متر در مخزن استوانه ای انجام شد. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت که از مطابقت خوبی برخوردار است. نتایج نشان می دهد که در بازشدگی های کمتر، فشار روی دریچه سرویس کاهش می یابد و تزریق هوا یک راه حل مناسب برای رفع این مشکل است . ضرایب نوسانات فشار در طول تونل به ارتفاع آب موجود در مخزن ابتدایی و بازشدگی های دریچه بستگی دارد و آزمایش های هیدرولیکی انجام شده روی مدل تخلیه کننده تحتانی نشان دهنده این است که شرایط بحرانی بعد از دریچه های سرویس و اضطراری و در بازشدگی های کم اتفاق می افتد.
-1 مقدمه
با ساخته شدن سدهای بلند در دهه های گذشته میزان جریان عبوری از روی سرریزها و همچنین تخلیه کننده های تحتانی افزایش یافته است. دریچه های تخلیه کننده های تحتانی برای کنترل دبی خروجی از تخلیه کننده ها استفاده می شوند و تحت فشار و سرعت زیاد جریان کار می کنند. هنگامی که سرعت جریان روی سطح تخلیه کننده افزایش می یابد، خطر وقوع کاویتاسیون افزایش می یابد. این موضوع در سدهایی همچون سد شهید عباسپور و سفیدرود قابل مشاهده است.
شارما - 1976 - ، با توجه به آزمایشاتی بر روی تخلیه کننده ها انجام داد به این نتیجه رسید که برای جلوگیری از رخداد حوادث مذکور معمولا یک مجرای هوا بلافاصله پس از دریچه پیش بینی می شود تا با اتصال هوا پس از دریچه به اتمسفر هوا کافی را به فضای پائین دست دریچه برساند. بر طبق مشاهده های پروتوتایپ ارتش آمریکا، Campbellو - 1953 - Guyton تغذیه هوا به درون تخلیه کننده های تحتانی را با توجه به اثرات نوسانات فشار و ویسکوزیته مورد آزمایش قرار دادند.
ناریانان - 1984 - ، با انجام آزمایشاتی بر روی دریچه نشان داد که نوشانات شدید فشار احتمال وقوع کاویتاسیون را افزایش می دهند و بیشترین احتمال وقوع کاویتاسیون را در لایه برشی جدا شده از لبه بالایی دریچه اعلام کرد. در ضمن برای محاسبه مدت زمان متوسط لازم جهت ظهور حباب های کاویتاسیون که در آن فشار، زیر فشار بخار آب است بلازجوسکی در سال 1980 رابطه ای ارائه داد.
نتایج حاصله از آزمایشات کاوینپور در سال های 1997 و 2000 بر روی سریز شوت در پائین دست سراشیب ها و در مجاری بسته نشان داد که با هوادهی, جریان شدت نوشانات کاهش یافته و همچنین میانگین فشار جریان افزایش پیدا می کند که در نتیجه ریسک وقوع پدیده کاویتاسیون به مقدار زیادی تقلیل می یابد. آزمایشات کاویانپور نشان داد که با افزایش میزان هوادهی از حدود %5 به بالا در پائین دست سراشیبی ها و مجاری بسته نوسانات فشار افزایش می یابد.
زارعی و همکاران - 1386 - ، در تحقیقی پس از مطالعه و ارزیابی علل تخریب تخلیه کننده های تحتانی در مناطق مختلف، عوامل هیدرولیکی موثر تعیین شده و روش های مختلف اندازه گیری و پایش مربوط به هر یک از پارامترهای هیدرولیکی را بیان و در نهایت امکان پایش هیدرولیکی تخلیه کننده های تحتانی سد سفید رود و پارامترهای هیدرولیکی مربوطه را مورد ارزیابی قرار دادند. خورشیدی و همکاران - 1387 - ، در تحقیقی از طریق دینامیک سیالات محاسباتی در قالب روش حجم محدود، در نرم افزار فلوئنت، مدل سازی جریان در تخلیه کننده تحتانی سد سفیدرود را به انجام رساندند.
از مدل حجم سیال - VOF - در حالت سه بعدی شامل جریان دوفازی آب و هوا استفاده شد و برای رفع مشکل کاویتاسیون، از یک سیستم هوا دهی شامل پله - Ramp - در کف و دیواره مجرا با شیب مناسب و نیز تعبیه شیار هواده در دیواره استفاده شد که باعث فرستادن هوا به نزدیکی کف و دیواره ها خواهد شد. پارامترهای جریان از قبیل سرعت، فشار و شاخص کاویتاسیون بررسی شد و برای تایید نتایج مدل، مقایسه ای با نتایج حاصل از مدل هیدرولیکی اجرا شده از تخلیه کننده تحتانی سد سفید رود در موسسه تحقیقات آب تهران انجام شد.
امام قلی زاده و همکاران - 1386 - ، در تحقیقی به بررسی تاثیر ارتفاع آب مخزن و دبی خروجی از تخلیه کننده تحتانی در میزان تخلیه رسوبات در رسوبشویی تحت فشار پرداختند. جهت دست یابی به اهداف این پژوهش یک مدل فیزیکی در دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز ساخته شد و با انجام آزمایش های مختلف با استفاده از رسوبات غیر چسبنده ریزدانه با قطر متوسط 0/27 میلی متر به بررسی و مطالعه این امر پرداخته شد.
نتایج این تحقیق نشان می دهد زمانی که ارتفاع آب مخزن بطور متوسط 31/5 درصد کاهش می یابد، طول و حجم مخروط رسوبشویی به ترتیب 14/5 و 41/5 درصد افزایش می یابد. همچنین زمانی که دبی خروجی از تخلیه کننده تحتانی 76/6 درصد کاهش می یابد، طول و حجم مخروط رسوبشویی به ترتیب 20/3 و 49/9 درصد کاهش می یابد.
ارتباط آنها برای میزان دبی هوای ورودی به عدد فرود در بخش در پایین دست دریچه خروجی می باشد. یک پیشبینی مشابه برای نسبت دبی هوای ورودی توسط مهندسین ارتش آمریکا - - USCE در سال 1964 بر طبق مشاهدات پروتوتایپ بر روی سازه خروجی NorfolkوPine flat انجام شد. - 1965 - Levinو - 1967 - Wisner همچنین به صورت کلی به این نتیجه رسیدند ولی ضرورتا نتایج مشابه، فراهم کردن ضرایب مورد نیاز برای تخلیه کننده های تحتانی را باعث شد.
بنابراین طراحی تخلیه کننده های تحتانی و سازه های مشابه با آنها مانند دریچه ها توجه مهندسان را به خود جلب کرده است. - 2006 - Wu et al مطالعه بیشتری روی خصوصیات هیدرولیکی بازشدگی بخشی دریچه ی سرویس برای یک تونل انجام داده است. تحقیق آنها نشان می دهد که تزریق هوا میزان نوسانات فشار متوسط رادر کاهش ریسک کاویتاسیون نتیجه می دهد.
بر طبق مشاهدات به دست آمده ازمطالعه نوسانات فشار توسط امیرفرشید هاشمی و امیرخسروجردی و حسین صدقی - - 2012، با توجه به آزمایش روی دریچه تخلیه کننده تحتانی در بازشدگی های 10 و 30 و50 و70 و %100 و همچنین هدهای مختلف 2و 3 و4 متر واحتمال %0.1، در بازشدگی های 30و50 و%70 ریسک پدیده کاویتاسیون حداکثر است و در بازشدگی 10 و %100 به حداقل میرسد.
امیر خسروجردی همچنین در مطالعه ای به تحقیق در مورد توزیع فشار در اطراف دریچه تخلیه کننده تحتانی و نقش آن در پتانسیل کاویتاسیون پرداخته است. در آنالیز جریان دو بعدی در دریچه های تخلیه کننده تحتانی توسط الگوریتم ساده که به مطالعه جریان توسط مدل توربولانس k- که به طرز وسیعی در کاربرد بررسی مشکلات هیدرولیکی میپردازد توسط امیر خسروجردی و محمد رضا کاویان پور - - 2002 انجام گرفت.
-2مواد و روش ها
در این تحقیق موضوعی، ضریب نوسانات فشار توسط اندازه گیری های فشار استاتیک و دینامیک در مکان های مختلف، روی دریچه سرویس و در پایین دست آن در پیزومترهای مختلف و فاصله های مختلف از دریچه انجام می شود. به علاوه، این اطلاعات آزمایشی در 3 هد مختلف 4 و 5 و 6 متر به دست آمد تا ضرایب نوسانات فشار در تخلیه کننده تحتانی محاسبه شود.
هدف از این مطالعه همچنین تعیین نقاط بحرانی که بیشتر تحت تاثیر پدیده نوسانات فشار میباشد تا آسیب در سازه های آبی ناشی از نوسانات فشار به حداقل خود برسد. مدل تخلیه کننده تحتانی در مقیاس 1:12 ، با توجه به مدل تخلیه کننده تحتانی سد سیازاخ، کردستان در آزمایشگاه موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو ساخته شده و کلیه آزمایش ها بر روی این مدل انجام شده است.
اشکال 2 و 3 و 4 امکانات آزمایشگاهی را به صورت شماتیک که در این مطالعه به کاررفته نشان می دهد شامل یک پمپ، تونل مستطیلی تحت فشار، یک دریچه اضطراری، یک دریچه سرویس، یک تونل مستطیلی تحت فشار با سطح مقطع بزرگترفورا در پایین دست دریچه سرویس، پیزومترها، مانومتر برای محاسبه عمق جریان در پایین دست تونل جهت اندازه گیری دبی جریان، ترانسدیوسر برای محاسبه فشار دینامیکی در بعضی پیزومترها روی دریچه سرویس و بعد از دریچه سرویس در کف تخلیه کننده تحتانی استفاده شد که حداکثر ظرفیت پمپ lit/s180 می باشد.
تمامی آزمایش ها در هدهای 4 و 5 و 6 متری انجام شدند و جهت کاهش خطا دریچه های سرویس و اضطراری به صورت عمودی و قابل باز و بسته شدن هستند. در این مطالعه دریچه اضطراری به صورت %100 باز و دریچه سرویس در 3 بازشدگی 60و 80 و %100 قرار داشتند و فشارهای استاتیکی و دینامیکی روی برخی از پیزومترها بعد از دریچه سرویس انجام گرفت. آزمایش ها در 3 فاز مختلف با دبی های متفاوت انجام شدند.
تحقیق حاضر، با استفاده از نرم افزار Flow-3D به انجام رسیده و همچنین این تحقیق با استفاده از مشخصات فیزیکی یک فلوم آزمایشگاهی است. نرم افزارFlow-3D نرم افزاری چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازی به صورت دو بعدی و سه بعدی است. این نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD است و توسط شرکت Flow Science ارائه شده است. روش حل معادلات در این نرم افزار بر اساس روش حجم محدود است. برای مدل کردن دریچه های تخلیه کننده و فلوم آزمایشگاهی مورد نظر، همزمان از نرم افزار Auto cad و نرم افزار Flow-3D استفاده شد.
برای مش بندی مدل از از یک مش یکپارچه یکنواخت در طول تخلیه کننده استفاده شد و سعی بر آن بود تا مشهای بیشترو ریزتری در نظر گرفته شود و در عین حال تعداد سلول های مش از حد معینی فراتر نرود تا از این طریق مدیریت زمان اجراهای نرم افزاری نیز صورت گرفته باشد. لازم به ذکر است که این تقسیمات مش هیچ تاثیری درخطوط جریان ندارند و صرفا جهت مش بندی به کار می روند.
