بخشی از مقاله
چکیده
انحراف مسیر کانال های باز از اجزای جدایی ناپذیر و مهم در رودخانه ها و مهندسی هیدرولیک است. ساختار جریان در آنها تأثیرات زیادی بر روی نتایج اندازه گیری دبی با استفاده از سنسورهای سرعت دارد. در این پژوهش جریان در انحراف مسیر کانال بوسیله نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی سه بعدی، و بر اساس مدل آشفتگی تنش های رینولدز - RSM - مدلسازی شده است و اثرات زاویه انحراف و عمق آب بر اندازه گیری سرعت بررسی شده است.
اهداف اصلی این مقاله عبارتند از - 1 توصیف الگوی جریان در انحراف مسیر کانال های باز - 2 بررسی اثرات پارامترهای هیدرولیکی روی میدان سرعت و اندازه گیری جریان - 3 ارائه ضریب کالیبراسیون اندازه گیری سرعت.
مقدمه
در طبیعت به ندرت بتوان رودخانه ای با مسیر مستقیم یافت. در رودخانه ها و کانال های مصنوعی انحراف مسیر های متعددی دیده می شود که وجود آنها باعث پیچیدگی قابل توجهی در شناخت الگوی جریان در این مسیرهاست. به همین دلیل شناخت خصوصیات جریان در این نواحی همواره مورد توجه مهندسان و محققین هیدرولیک می باشد.
ویژگی های جریان در انحراف به پارامترهایی مانند شکل، اندازه و انحراف از محور جریان در پلان وابسته است. وجود انحراف در مسیر باعث می شود تا جریانی متفاوت با آنچه که در کانال های مستقیم اتفاق می افتد، بوجود آید. پیامد عمده تغییر راستای جریان، ظهور جریان عرضی است، این پدیده منجر به تغییر قابل ملاحظه ای در توزیع سرعت محوری می شود که در امتداد کانال پایین دست ادامه می یابد.
دبی پارامتری کلیدی در مهندسی هیدرولیک استمبحث. اندازه گیری جریان در کانال های باز معمولاً شامل اندازه گیری سرعت است که فن آوری های مختلفی در این زمینه موجود است. این روش ها دبی را از معادله پیوستگی و به صورت حاصلضرب سرعت متوسط در سطح مقطع مرطوب .A محاسبه می کنند.
سطح مقطع را با اندازه گیری ارتفاع سطح آزاد و اطلاعات دقیق هندسی محاسبه کرده و برای اندازه گیری سرعت متوسط از سنسورهای سرعت استفاده می شود. تعیین سرعت متوسط نیاز به دانش ویژه ای دارد. سازندگان سنسورها، ادعا می کنند که محصول آنها در هر مکانی، بدون در نظر گرفتن شرایط مرزی قابل استفاده است. ولی بر خلاف این ادعا، با پارامترهای ساده ی خطاهای نصب مواجه می شوند. تعیین سایت اندازه گیری نیاز به دانش تخصصی از فن آوری استفاده شده و ملاحظاتی خاص دارد.
در محل هایی که از نظر شرایط هیدرولیکی نامناسب اند، فرض اولیه برای اینکه سرعت اندازه گیری شده محلی معرف سرعت متوسط کل مقطع باشد دچار مشکل می شود. به طور مثال انحراف مسیر کانال می تواند تا طول قابل توجهی پس از آن بر غیر همگن بودن جریان تأثیر گذار باشد، در چنین شرایطی، سرعت اندازه گیری شده متفاوت از سرعت متوسط کل مقطع می باشد. بنابر Umean سرعت متوسط کانال و U سرعت در حجم بررسی شده توسط سنسور است. بنابراین دبی از فرمول - 2 - محاسبه می شود.
این باید به سرعت متوسط برای اینکه معرف سرعت متوسط کل مقطع باشد توجه ویژه نمود. سنسورهای سرعت حجم محدودی از جریان را با فرض تقارن توزیع سرعت و برابری سرعت اندازه گیری شده با سرعت متوسط کل مقطع بررسی می کنند. به دلیل حساسیت آنها به توزیع سرعت، برای ارزیابی درست سرعت متوسط پس از انحراف، نیازمند استفاده از ضریب اصلاحی هستیم و ضریب اصلاحی را از فرمول - 1 - محاسبه می کنیم.
در عمل سرعت سنج ها با استفاده از سرعت اندازه گیری شده توسط کالیبراسیون های میدانی - معمولاً با شرایط آب و هوایی خشک - ، کالیبره می شوند و با توجه به حساسیت ضریب کالیبراسیون به تغییرات عمق، یک خطای سیستماتیک به اندازه گیری جریان معرفی می کنند. دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - می تواند ابزار مناسبی برای محاسبه ضریب کالیبراسیون اندازه گیری سرعت باشد.
Ernst, Hilgenstock، تأثیر توزیع جریان را بر فلومترهای اولتراسونیک مختلف توسط نرم افزار CFD به طور عددی بررسی کردند .[1] با CFD می توان فلومترها را به صورت عددی و تحت شرایط مختلف کالیبره کرد. Larrarte و همکاران [2]، Hrabak و همکاران [3]، Pollert و [4] Bares، بر اساس نتایج حاصله از نرم افزار CFD فلومتری را که در فاضلاب استفاده می شد را کالیبره کردند.
در این تحقیق الگوی جریان در انحراف مسیر کانال با زوایای مختلف و برای چندین عمق آب، بوسیله نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی و به صورت سه بعدی مطالعه شده است. با استفاده از نرم افزار عددی ICEM به مدل سازی سه بعدی کانال انحراف دار پرداخته و سپس مدل مورد نظر با استفاده از کد عددی ANSYS CFX شبیه سازی شده و معادلات حاکم بر جریان حل می شوند و با استفاده از داده های عددی بدست آمده به بررسی اثرات پارامترهای هیدرولیکی روی میدان سرعت و اندازه گیری جریان پرداخته شده است. سپس ضریب کالیبراسیون اندازه گیری سرعت پس از انحراف بر اساس عمق آبهای مختلف ارائه شده است.
معرفی نرم افزار شبیه سازی
دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - استفاده از شبیهسازی کامپیوتری برای تحلیل سیستم های شامل سیالات، انتقال حرارت و پدیده های وابسته مانند واکنش های شیمیایی میباشد. در این مقاله از نرم افزار ANSYS CFX برای شبیه سازی جریان سیال استفاده شده است. حل تحلیلی معادلات ناویر- استوکس برای یک سری جریان های خاص در شرایط ایده آل امکان پذیر است. بنابراین حل جریان واقعی با جایگزینی معادلات حاکم با تقریب های جبری و استفاده از روش های عددی به دست می آید.
کد ANSYS-CFX معادلات هیدرودینامیکی را با استفاده از روش حجم محدود حل میکند. معادلات هیدرودینامیکی به طور کاملاً ضمنی در هر گام زمانی گسسته میشود و در یک سیستم کاملاً کوپل حل میگردد. برای مسائل دائم مانند تحقیق حاضر، گام زمانی مثل یک پارامتر شتاب رفتار میکند. بنابراین جواب در طی فرآیند تکرار بدست میآید. روش حجم محدود از شکل انتگرالی معادلات بقاء بهره میگیرد. اکثر تقریب های CFD که مورد استفاده قرار می گیرند از بسط سری هایی مانند سری تیلور مشتق می گردد.
مرتبه دقت یک تقریب با بزرگترین جمله ای که از بسط سری قطع می شود، تعریف می گردد. با افزایش دقت، تقریب خطا کمتر شده ولی قدرتمندی روش - پایداری - کاهش می یابد. از آنجا که بیشتر جریان های کاربردی در مهندسی دارای رینولدز بالا هستند، شبیه سازی آشفتگی برای دستیابی به نتایج دقیق عددی از اهمیت زیادی برخوردار است. نرم افزار مدل های آشفتگی مختلف را ارائه می کند. Stovin و همکاران [5] - 2002 - ، [6] - 2006 - Bonakdari، قابلیت مدل تنش رینولدز - RSM - در ارائه رفتار سه بعدی جریان را نشان داده اند. بنابراین مدل آشفتگی تنش های رینولدز در این مطالعه استفاده شده است.
شبیه سازی میدان جریان
شبکه بندی مناسب برای رسیدن به جواب های دقیق بسیار مهم است. بنابراین در این مقاله برای رسم مدل فیزیکی کانال از نرم افزار ICEM استفاده شده است. شبیه سازی برای کانال دایره ای با قطر 1/5 متر و برای عمق آب های مختلف و مقادیر زاویه انحراف 10 - ، 15، 20، 30 و 45 درجه - انجام شده است. به منظور افزایش دقت نتایج، شبکه بندی در نواحی نزدیک سطح آزاد، نزدیک دیواره، ورودی کانال، قبل و بعد از انحراف ریزتر شده است. جزئیات مربوط به شبکه بندی در جدول - 1 - توضیح داده شده است.
جدول - 1 - جزئیات شبکه بندی در پلان
شکل - 1 - شبکه بندی در پلان و مقطع - الف - شبکه بندی در پلان، - ب - شبکه بندی در مقطع برای h/D=0.3
