بخشی از مقاله
خلاصه
تنداب پلکانی یکی از مهمترین و پرکاربردترین سازههای هیدرولیکی در محیطهای آبی اعم از بستر رودخانهها، سرریز سدها، تصفیهخانهها و کانالهای انتقال آب میباشد. از مشخصههای عملکردی این سازه میتوان به استهلاک قابل توجه انرژی جنبشی جریان عبوری و تشکیل جریان دوفازی آب و هوا آنها اشاره نمود. در این تحقیق، به منظور بررسی افزایش کارایی این سازه هیدرولیکی در شرایط مختلف بهرهبرداری و نیز کاهش ابعاد سازهای، از موانع بلوکی با چینش متناوب بر روی مدل فیزیکی یک نمونه تنداب پلکانی ساده استفاده شده است.
سپس با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی، مدل عددی تنداب پلکانی مذکور در نرمافزار FLOW-3D توسعه داده شد و شاخصهای طراحیِ اینگونه سازهها نظیر آستانه هواگیری طبیعی، رژیمهای مختلف جریان عبوری، میزان پراکنش انرژی جریان، توزیع سرعت و غلظت هوای ورودی به جریان در امتداد تنداب پلکانی ساده و بلوکدار مورد ارزیابی قرار گرفتند. در توسعه مدل عددی تنداب پلکانی از موانع بلوکی با ابعاد هندسی متغیر استفاده گردید.
برای شبیهسازیِآشفتگیِ جریان دوفازی از مدل آشفتگی K- و برای تعیین نیمرخ سطح ازاد جریان از روش VOF استفاده شد. صحتسنجی مدل عددی، براساس یافتههای آزمایشگاهی بهشتی و خسروجردی - - 1392 انجام پذیرفت که نتایج مدل انطباق مناسبی با نتایج آزمایشگاهی نشان داد. نتایج تحقیق نشان داد که بکارگیری موانع بلوکی با ابعاد هندسی معین در امتداد جریان بر روی تندابهای پلکانی، نقش بسزایی در میزان استهلاک انرژی جریان و افزایش هواگیری طبیعی داشته است و با افزایش تدریجی دبی جریان عبوری، رژیم جریان از نوع ریزشی بیشتر غالب خواهد بود.
1. مقدمه
یکی از پدیدههای هیدرولیکی حائز اهمیت که در ارتباط با تندابهای پلکانی همواره مطرح بوده و اغلب نیز در طراحی این سازهها مورد توجه قرار نگرفته است، اندرکنش بین جریان آب عبوری و جریان هوا میباشد که منجر به اختلاط شدید آب و هوا و ایجاد پیچیدگی زیاد در تحلیل هیدرولیکی این نوع جریان دوفازی میگردد.>2@ ارزیابی مشخصههای جریان آب- هوا بهدلیل ورود مقادیر زیادی هوا در بالادست اینگونه سرریزها با دبی واحد عرض متوسط، از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.>1@
مطالعات آزمایشگاهی متعددی بر روی جریان عبوری از تندابهای پلکانی با روشهای مختلف طی چهل سال گذشته انجام شده است که از آن جمله میتوان به تحقیقات افرادی نظیر سورنسن - 1985 - ، پِیراس و همکاران - 1991 - ، کریستادولو - 1993 - ، چمنی و راجاراتنام - 1999 - ، چینارسی و وانگوایز - 2006 - ، ریلواس و پینهیرو - 2011 - و... اشاره نمود. تنها در تعداد محدودی از مقالات منتشر شده، به جریان کاملاً متلاطم با هوادهی سطحی قوی در تندابهای پلکانی اشاره شده است - یاسودا و چانسون2003، چانسون و تومبز. - 2002
در دو دهه اخیر، تحقیقات آزمایشگاهی متعددی توسط محققین مهندسی علوم آب در ارتباط با جنبههای مختلف هیدرولیک سرریز پلکانی از طریق ساخت مدلهای فیزیکی- هیدرولیکی انجام پذیرفته است.>7@ شاید یکی از دلایل عمده این رویکرد، پیشرفتهای ایجاد شده در اجرای سدهای RCC - بتن غلتکی متراکم - و استهلاک زیاد انرژی جریان در طول سازه تنداب باشد که منجر به کاهش ابعاد حوضچههای آرامش پایاب سرریزها میگردد.
اینگونه مدلهای فیزیکی اغلب بسیار پرهزینه بوده و به دلیل پیچیدگی زیاد الگوی جریان دوفازی آب و هوا، مستلزم صرف زمان زیادی جهت انجام آزمایشات میباشد. از سوی دیگر، مشکلات ناشی از ایجاد اثرات مقیاسی باعث میشود تا در برخی شرایط، عدم قطعیتهای بوجود آمده مانع از تعمیم نتایج آزمایشگاهی به نمونههای اصلی گردد.>6@
امروزه با پیشرفت تکنولوژی در علوم رایانهای و کدهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - کارآمد، مشکلات اشاره شده در فوق برای بررسی و ارزیابی عملکرد هیدرولیکی سازههای آبی مرتفع شده است و میتوان به کمک ویژگیهای منحصر به فرد این قبیل مدلهای عددی و با دقت مطلوب و صرف هزینه به مراتب کمتر، فرایند شبیهسازی جریان بر روی این سازهها را در کوتاهترین زمان ممکن انجام داد.>3@
هدف از انجام این پژوهش،بررسی و امکانسنجیِ افزایش کارایی تنداب پلکانی از منظر میزان استهلاک انرژی جنبشی جریان و فرآیند هواگیری طبیعی، در اثر تغییر ساختار هندسی پلهها و افزودن زبریهای بزرگ مقیاس میباشد. در این راستا، دو پیکربندی هندسی متفاوت از تنداب پلکانی بصورت ساده و نیز همراه با موانع بلوکی - در ابعاد و فواصل معین - بر روی پلهها، با استفاده از قابلیتهای هیدرودینامیک محاسباتی و محیط نرمافزار پیشرفتهFlow-3D 10,0 مورد شبیهسازی عددی قرار گرفته است.
برای تحلیل الگوی آشفته جریان دوفازی آب و هوا بر روی تنداب پلکانی از مدل آشفتگی دو معادلهای k- که کاربرد زیادی در تحلیل جریانهای متلاطم دارند، استفاده میگردد. همچنین در این تحقیق به منظور تعیین تغییرات سطح آب در داخل میدان جریان، از روش دوفازی حجم سیال VOFاستفاده شده است. این روش، تغییرات سطح آازاد جریان را بهطور صریح در طول زمان دنبال میکند.
برای اطمینان از نتایج حاصل از کد دینامیک سیالات محاسباتی در شبیهسازی میدان جریان تشکیل شده، مطالعات عددی با نتایج آزمایشگاهیِ معتبر مطابقت داده خواهد شد. برای این منظور از ساختار آزمایشگاهی توسعه داده شده توسط بهشتی و همکاران - - 1392 در آزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقاتآبِ وزارت نیرو استفاده میگردد.
2. مواد و روشها
.1,2 ساختار مدل آزمایشگاهی مورد استفاده
کلیه آزمایشات برنامهریزی شده در این تحقیق، در آزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو و در یک کانال افقی با شیب ثابت و ابعاد 0/90 ×5 - طول×عرض - متر از جنس پلکسیگلاس، انجام گردید. ارتفاع و طول کل مدل تنداب پلکانی مورد استفاده بهترتیب معادل 80 و 200 سانتیمتر و شیب کف آن نیز = 21/8 میباشد.
شکل 1 طرحواره ساختار آزمایشگاهی مورد استفاده در این تحقیق را نشان میدهد که شامل - 1 پمپ سانتریفیوژ - 2 شیر کشوییِ تنظیم دبی جریان - 3 دبیسنج الکترومغناطیسی - 4 لوله فولادی انتقال آب - 5 مخزن بتنی آرامش جریان در بالادست کانال - 6 سبد فلزی مشبک برای کاهش تلاطم جریان ورودی - 7 تعداد 20 عدد پله از جنس پلکسی گلاس با ابعاد 83 × 10 ×4 سانتیمتر با آستانه ورودی از نوع سرریز لبه پهن به طول 0/45 متر و عرض 0/83 متر - 8 کانال افقی به طول 3/7 متر و ارتفاع 0/73متر - 9 دریچه تاشوی فلزی برای کنترل تراز سطح آب در پایاب مدل - 10 کانال پاییندست - 11 سرریز لبه تیز مستطیلی با ابعاد 0/90متر - عرض - 0/35×متر - ارتفاع - - 12 مخزن تخلیه پایین دست، میباشد.
