بخشی از مقاله
خلاصه
تحقیق حاضر به مطالعه ناپایداری جریانهای چگال غوطه وری بقائی و چگونگی میل نقطه غوطه وری به پایداری، با استفاده از یک شبیه سازی دوبعدی پرداخته است. جریان به صورت آشفته بوده و با عدم در نظر گرفتن فرضیه بوزینسک، معادلات به صورت کامل حل شده اند. نتایج نشان میدهند نقطه غوطه وری در شکلگیری جریان چگال فرو رونده ناشی از ورودی آب شور به داخل یک مخزن پایدار نبوده و تغییرات آن با زمان رابطه توانی دارد. همچنین نتایج نشان میدهند که پارامترهای شیب بستر، غلظت ورودی، و سرعت جریان وارد شونده تأثیر بسزایی بر روند پایداری نقطه غوطه وری دارند.
-1 مقدمه
جریانهای ثقلی1 یا جریانهای چگال2 را می توان حرکت سیالی با یک دانسیته مشخص به داخل سیال دیگری با دانسیته متفاوت تعریف نمود. عامل حرکت، نیروی شناوری است که از اختلاف دانسیته دو سیال - اختلاف دما، شوری و ذرات رسوبی - حاصل میگردد. در یک نقطه که به وسیله تعادل بین مومنتوم جریان ورودی و فشار باروکلینیک ناشی از اختلاف دانسیته بین جریان ورودی و ناحیه ساکن مخزن تعیین می شود، جریان ورودی به زیر سیال محصور غوطه ور می شود. به خاطر برش ایجاد شده ناشی از غوطه وری و وارد شدن سیال به داخل جریان، آب درون مخزن به سمت بالا دست حرکت می کند.
در مرز بین جریان دانسیته و آب ساکن مخزن، گردابه های آشفته شکل گرفته و سیال ساکن به داخل جریان دانسیته کشیده می شود. به خاطر وارد شدن آب، دبی جریان دانسیته در طول زیاد می شود. نرخ افزایش دبی در ناحیه نزدیک به نقطه غوطه وری بسیار بیشتر است. بعد از یک فاصله معین، نرخ افزایش دبی ناچیز می شود. ناحیه بین نقطه پایدار غوطه وری و جایی که این نرخ افزایش تقریبا ثابت می شود، ناحیه غوطه وری نامیده می شود. افزایش دبی در ناحیه غوطه وری با ضریب ورود اولیه، QI Q در ناحیه غوطه وری مشخص می شود. که Q نرخ ورود سیال ساکن و QI دبی ورودی رودخانه به مخزن می باشد.
اولین مطالعات در مورد غوطه وری بصورت آزمایشگاهی و توسط Singh and Shah - 1971 - صورت گرفت. مشاهدات صورت گرفته نشان داد نقطه غوطه وری پایدار نبوده و با پیشروی جریان دانسیته، به پایین دست حرکت می کند تا به نقطه ای پایدار برسد. ایشان نتیجه گرفتند برای برای مقادیر بزرگی از 2 - 1 3 - ، عدد فرود چگال ⁄ - 3 - 0 5 به صورت 0 67 تخمین زده می شود.
Farrel and Stefan - 1986 - نیز با انجام آزمایشات، به ضریب اخپتلاط برابر 0/1 دست یافتند. Lee and Yu - 1997 - نیز ناپایداری نقطه غوطه وری را در آزمایشات خود مشاهده نمودند و با توجه به این امر مقدار عدد فرود چگال غوطه وری را بین 0/6 و 1 بیان نمودند که مقدار 1 مربوط به اولین غوطه وری ناپایدار و مقدار 0/6 در غوطه وری پایدار رخ می دهد. همچنین آزمایشات Lee and Yu - 1997 - میزان اختلاط اولیه را نیز 0/16 نشان می داد.
محققینی شامل Farrel and Stefan - 1988 - ، Bournet et al. - 1999 - و Kassem and Imran - 2001 - به مطالعه عددی غوطه وری پرداختند. Farrel and Stefan - 1988 - به مطالعه عددی غوطه وری با استفاده از یک مدل دوبعدی پرداختند. برای اینکار، ایشان از معادلات متوسط گیری شده رینولدز معادلات ناویر-استوکس بهمراه مدل آشفتگی استاندارد که ترمی بمنظور در نظر گرفتن غوطه وری نیز اضافه شده بود، استفاده نمودند. ایشان عمق نقطه غوطه وری را بدست آوردند که بزرگتر از عمق آزمایشگاهی Singh and Shah - 1971 - و and Stefan - 1986 - Farrel می باشد. Bournet et al. - 1999 - یک مطالعه عددی را بر جریانهای غوطه وری در کانالهای با عرض ثابت و نیز کانالهای واگرا صورت داد.
Kassem and Imran - 2001 - نیز از همان معادلات دوبعدی ناویراستوکس استفاده نمودند و از مدل تغییر یافته تحت تأثیر غوطه وری برای مدلسازی آشفتگی استفاده نمودند. انها نتایج خود را منطبق با نتایج Singh and Shah - 1971 - گزارش نمودند اما در مورد ضریب اختلاط اولیه و شرایط غوطه وری چیزی را گزارش نکردند. در این تحقیق، ناپایداری غوطه وری برای اولین بار با استفاده از یک شبیه سازی عددی دو بعدی مورد توجه قرار گرفته است. همچنین عوامل مختلف موثر بر عمق غوطه وری مانند شیب کف، سرعت ورودی جریان، و غلظت جریان ورودی مورد بررسی قرار گرفته است.
هندسه مورد مطالعه شامل محدوده ای با طول 30 متر می باشد. عمق جریان در ورودی ثابت و برابر 20 سانتی متر در نظر گرفته شده است. شبیه سازیها با دو شیب 3 و 4 درصد صورت گرفته است. برای مطالعه اثر متغیرهای مختلف روی بدنه و ناحیه غوطه وری، ترکیبی از سرعتها و غلظتهای مختلف در نظر گرفته شده است که در جدول - 1 - دیده می شود.
-2 معادلات حاکم
برای بررسی جریان چگال، معادلات متوسط گیری شده رینولدز معادلات ناویراستوکس با فرض عدم در نظر گرفتن فرضیه بوزینسک حل گردیده است. این معادلات شامل معادله پیوستگی، مومنتوم جریان می باشد که با مدل دو معادله ای آشفتگی ترکیب شده است. همچنین برای محاسبه غلظت جریان دانسیته از معادله بقایی اسکالر استفاده گردیده است.
