بخشی از مقاله
خلاصه
به منظور اتلاف بيشتر انرژي جنبشي جريان در محدوده پرشهيدروليكي و كاهش مشخصات آن در حوضچههاي آرامش از بلوك هاي آرامكننده استفاده ميشود. در اين مطالعه پرش هيدروليكي در حوضچه آرامش سد Pit6 با استفاده از نرمافزار FLOW-3D شبيه سازي شده است، همچنين نيروي درگ وارد بر بلوك آرامكننده در حوضچه آرامش اندازهگيري شده است.
در اين مطالعه از روش VOF براي تعيين پروفيل سطح آزاد جريان و نيز مدل آشفتگي RNG موجود در نرمافزار استفاده شده است. مقايسه نتايج مدل عددي مربوط به پروفيل سطح آزاد جريان در حوضچه آرامش در دبيهاي مختلف و نيز نيروي درگ وارد بر بلوك ها با مدل آزمايشگاهي مطابقت خوبي داشته است.
١. مقدمه
براي جلوگيري از خسارات ناشي از انرژي فوقالعاده آب در سرعتهاي فوقبحراني و نيز به منظور از بين بردن انرژي اضافي جنبشي موجود در جهش آبي، عموماً لازم است از سازههاي خاصي به نام انرژي گيرنده مانند حوضچههاي آرامش استفاده نمود
در حوضچههاي آرامش ممكن است براي كوتاه كردن طول حوضچه آرامش و تثبيت و كنترل پرشآبي از ضمائمي مانند بلوكهاي پاي تندآب١، بلوك هاي آرامكننده٢ و آبپايه هاي انتهايي استفاده گردد. بلوكهاي مياني حوضچه آرامش كه در موقعيت مناسبي در عرض حوضچه بايد قرار گيرند، در كاهش عمق ثانويه پرش هيدروليكي و استهلاك بيشتر انرژي نقش برجسته تري از بلوك هاي ابتداي حوضچه و آبپايه انتهايي دارند، بگونهاي كه استهلاك انرژي در اين حوضچهها متكي بر اغتشاش جريان و اعمال نيروي درگ توسط اين بلوكها بر جريان ميباشد
تحقيقات هيدروليكي بسياري براي طراحي حوضچههاي هيدروليكي در طي قرن ها صورت گرفته است. اگرچه معيارهاي طراحي Peterka - ١٩٥٨ - بسيار كارآمد است، اما هنوز هم بهبود طراحي و افزايش كارايي حوضچه هاي آرامش به عنوان يك چالش براي دانشمندان هيدروليكي باقي مانده است و هنوز فضاهاي خالي، هم مربوط به معيارهاي طراحي حوضچه هاي آرامش و هم مربوط به قسمت هاي ديگر مانند بررسي نيروهاي وارد بر بلوكهاي آرامكننده يا بررسي ميدان جريان اطراف شكل هاي خاص بلوك هاي آرامكننده به منظور بهبود حوضچه هاي آرامش بصورت هيدروليكي، وجود دارد.
مطالعات انجام شده در اين زمينه را ميتوان به دو بخش عددي و آزمايشگاهي تقسيم نمود. از جمله مطالعات آزمايشگاهي در زمينه بررسي نيروي درگ وارد بر بلوكهاي آرامكننده در حوضچه هايآرامش ميتوان به مطالعات Basco و Adams - ١٩٧١ - ، Mittal و Gomasta - ١٩٧٧ - ، - Marahari١٩٧١ - ، Raju ، Vittal و Verma - ١٩٨٠ - ، ولكر و فرهودي - ١٩٩٥ - و Lengricht و همكاران - ٢٠٠٨ - اشاره كرد. همچنين در زمينه فعاليتهاي عددي ميتوان به موارد شاخصي كه به شبيه سازي عددي جريان در سرريز و حوضچه هايآرامش پرداختهاند اشاره كرد. D.K. H. Hoo و همكاران - ٢٠٠١ - رفتار سرريز WES٣ استاندارد را تحت شرايط افزايش ترازهاي سيلاب با استفاده از نرمافزار FLOW-3D به صورت دو بعدي و سه بعدي توصيف نمودند
مطالعهاي عددي براي پيشبيني خصوصيات جريان اطراف سد چند منظوره Soyang ، براي ظرفيت دبي طراحي با استفاده از نرمافزار FLOW-3D ،كه در آن ميدان حل به سه ناحيه مخزن، سرريز و حوضچهآرامش تقسيم ميشد، انجام دادند
صالحي نيشابوري و حسيني سهي - ٢٠٠٤ - به شبيه سازي هيدروليكي جريان و پرشهيدروليكي داخل حوضچهآرامش سرريز سد مخزني تالوار پرداختند، همچنين اثر هندسه و دبي را بر ميدان جريان و توزيع فشار داخل حوضچهآرامش به كمك نرمافزار FLOW-3D بررسي نمودند
جريان عبوري از روي سرريز ريزشي در Vatnsfell و جريان در حوضچهآرامش آنرا با استفاده از نرمافزار فلوئنت١ مدل كرد]٥.[ رستمي و صباغ يزدي - ٢٠٠٨ - پرشهيدروليكي در حوضچهآرامش با موانع بتني سد نازلوچاي را با استفاده از نرمافزار Flow-3D مدل كردند.آنها با استفاده از نرمافزار پروفيل سطح آب و توزيع عمقي سرعت را بدست آورند كه در مقايسه با اندازهگيريهاي آزمايشگاهي مطابقت خوبي داشته است
همانطور كه بيان شد، مطالعات محدودي در راستاي مدل كردن پرش هيدروليكي در حوضچه هاي آرامش به صورت عددي انجام شده است و تاكنون هيچ مطالعهاي با هدف محاسبه نيروي درگ وارد بر بلوك ها به صورت عددي انجام نشده است.
با توجه به خرابيهاي قابل ملاحظهاي كه در بلوكهاي مياني در حوضچه هايآرامش سدهايي مانند سد Pit6 به دليل تحمل نكردن نيروي درگ وارد بر آنها وجود داشته است، كه در بعضي مواقع منجر به كندهشدن كامل بلوك ها مي گردد، در اين تحقيق نيروي درگ وارد بر بلوك ها به صورت عددي با نرمافزار Flow-3D محاسبه گرديده و صحت آن با نتايج مدل فيزيكي حوضچه آرامش سد Pit6 بررسي شده است.
٢. توصيف نرم افزار عددي و معادلات حاكم
نرم افزارFlow-3D يك مدل مناسب براي مسائل پيچيده سيالات است كه توليد، توسعه و پشتيباني آن توسط Flow science Inc ميباشد. اين نرمافزار براي جريان هاي سه بعدي غيرماندگار كه داراي سطح آزاد و هندسه پيچيده هستند كاربرد دارد، و از روش احجام محدود در شبكهبندي باساختار استفاده مي نمايد. پايه معادلات حركت در اين نرمافزار بر روي تكنيك تفاضل محدود٢ ميباشد. اين نرم افزار از پنج مدل آشفتگي RNG - renormalized group - ، Two-equation k-ε transport، One-equation transport، Prandtl mixing length و LES - Large eddy simulation - استفاده ميكند. دراين نرم افزار از دو تكنيك عددي براي شبيه سازي هندسي استفاده شده است: ١- روش حجم سيال : - VOF - اين روش براي نشان دادن رفتار سيال در سطح آزاد مورد استفاده قرار مي گيرد. ٢- روش كسر مساحت- حجم مانع : - FAVOR - كه اين روش براي شبيهسازي سطوح و احجام صلب مثل مرزهاي هندسي كاربرد دارد
معادله پيوستگي جرم بطور كلي بصورت زير است:
كه در آن VF كسر حجمي جريان، ρ دانسيته سيال، RDIF ترم پخش آشفتگي و RSOR برابر با منبع جرم است. اجزاء سرعت - u,v,w - در جهات x,y,z يا z,θ,r هستند. Ax ، Ay و Az برابر كسرهاي سطحي براي جريان در جهتهاي x ، y و z و ضريب R بسته به انتخاب سيستم مختصات است.
معادلات مومنتم در سه جهت مختصات - i,j,k - ، با يكسري ترمهاي اضافي به شرح زير هستند:
در اين معادلات Gi شتابهاي بدنه، fi شتابهاي ويسكوز، bi افت جريان در محيطهاي متخلل و ترم آخر مربوط به تزريق جرم در سرعت صفر است.
موقعيت سيال در ترمهاي تابع حجم سيال - VOF - تعريف ميشود .F - x,y,z,t - اين تابع بيانگر حجم سيال بر واحد حجم و بصورت معادله زير است:
كه در آن ضرايب پخش بصورت f CFµ/ρ ميباشد، كه CF يك ثابت است. ترمهاي پخش تنها براي اختلاط آشفتگي دو سيال كه توزيع آنها به وسيلهي تابع F بيان مي شود، كاربرد دارد. FSOR برابر با نرخ زماني تغييرات تابع حجم يك سيال كه همراه با منبع جرم براي آن است، ميباشد. تفسير F وابسته به نوع مسئلهاي است كه مدل ميشود . مسائل غيرقابلتراكم شامل يك سيال منفرد با سطح آزاد يا دو سيال با سطح مشترك است. براي يك سيال منفرد، F بيانگر جمع حجم اشغال شده با سيال است، بنابراين جاهايي كه F=1 است سيال و جاهايي كه F=0 حباب و حفره مجود دارد
٣. مشخصات مدل آزمايشگاهي
به منظور صحت سنجي مدل عددي در شبيهسازي پرش هيدروليكي و پيشبيني نيروي درگ وارد بر بلوكهاي آرامكننده از نتايج آزمايشهاي Tatsuaki Nakato كه مقاله آن در سال٢٠٠٠ چاپ شده است، استفاده گرديده است. مدل سرريز با پهناي ٣ متر، عمق ٤/٢ متر و طول ٨/١٩ متر در مقياس ٢٨:١ بدون هيچ تغييري در هندسه در مؤسسه تحقيقاتي هيدروليك Iowa ساخته شد و مدل عددي آن نيز در همين مقياس ساخته شده است. آزمايشات مدل در دبي هاي متناظر با دبي اصلي ٥٦٦، ١٤١٦، ٢١٢٤ و ٢٨٣٢ متر مكعب بر ثانيه انجام شد.
دبي٥٦٦ متر مكعب بر ثانيه، با تراز مخزن آب ٤٢٧ و تراز پاياب ٣٩٠ متر، مربوط به ماكزيمم دبي ساليانه نرمال است؛ در دبي ١٤١٦ متر مكعب بر ثانيه، تراز مخزن ٤٣١ و تراز پاياب ٣٩٣ متر ميباشد. دبي ٢٨٣٢ متر مكعب بر ثانيه با تراز مخزن ٤٣٦ و تراز پاياب ٣٩٧ متر، ماكزيمم ظرفيت سرريز است و دبي ٢١٢٤ متر مكعب بر ثانيه با تراز مخزن ٤٣٣ و تراز پاياب ٣٩٥ متر متناظر با حد وسط دبي هاي ٢٨٣٢ و ١٤١٦ مي باشد .
اندازهگيريهاي نيروهاي دو مؤلفهاي براي بلوكهاي ١، ٥ و ٨ كه داراي پهناي m٥/١، ارتفاع m٧/٣ و طول m٢/٦ - در مقياس پرتوتيپ - مي باشند، انجام شده است]٨.[ شكل - ١ - جزئيات مدل آزمايشگاهي و مقطع بلوكهاي آرامكننده را نشان ميدهد. موقعيتهاي بلوك از ديوار چپ به سمت راست مانند آنچه در شكل - ١ - نشان داده شده است، شماره گذاري شدهاند. نيروي درگ، Fx، در جهت رو به پائين دست مثبت ميباشد. براي پيشبيني پروفيل طولي متوسط سطح آب در امتداد ديوار چپ، اندازه گيري هايي در مطالعه آزمايشگاهي براي حالتي كه هر ١٠ بلوك حضور دارند انجام شده است و از نتايج آن براي صحت سنجي مدل عددي در اين مطالعه استفاده گرديده است.
شكل ١ – پلان و مقطع مدل سرريز ] pit6٨[
٤. مدل سازي عددي
به منظور مدل سازي عددي سرريز و حوضچه آرامش سد Pit6 از نرم افزار FLOW-3D استفاده شده است. در شكل - ٢ - هندسه و شبكه بندي سرريز سد Pit6 ساخته شده در FLOW-3D و همچنين محورهاي مختصات نشان داده شده است.
