بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل عددي طراحی سرریز اوجی سد سیمره با استفاده از نرم افزار FLUENT
چکیده
دبی طراحی سرریز بر اساس ماکزیمم دبی عبوري انتخاب می گردد.گاه به علت اشتباه بودن مطالعات هیدرولوژیکی منطقه مورد نظر،دبی به هنگام بهره برداري از سرریز بیشتر از دبی طراحی می گردد.این موضوع باعث ایجاد سرعتهاي زیاد و فشار منفی بر روي انحناء تاج سرریز می گردد.پیامدهاي فشار منفی در سازه ها ایجاد ناپایداري،لرزش و خوردگی می باشد.بنابر این چنانچه بدنهٔ سرریزدرست طراحی نشده باشد،در دبی هاي زیاد و یا حتی دبی هاي کمتر ازدبی طراحی امکان ایجاد خلأ به وجود می آید که باعث ظاهر شدن پدیدهٔ کاویتاسیون می گردد.از جمله روش هاي مناسب براي تحلیل جریان روي سرریزها استفاده از روش هاي عددي می باشد. به کار بردن روشهاي عددي جهت حل معادلات حاکم بر جریان می تواند شیوه مناسبی جهت کاهش زمان و هزینه مصرفی در مدلهاي آزمایشگاهی باشد.امروزه با بالا رفتن قدرت محاسباتی کامپیوترها و همچنین با وجود برنامه هاي عددي و نرم افزارهاي مناسب در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی استفاده از روش هاي عددي در تحلیل جریان قوت بیشتري گرفته است.
در این تحقیق ابتدا مدل سرریز سد سیمره در نرم افزارGAMBIT ساخته شده و سپس با استفاده از نرم افزار FLUENT مدل شبیه سازي شده است.با مدل کردن این سرریز مقدار سرعت و فشار در ایستگاه هاي مختلف بدست آمده است. در این مقاله k-ε را به عنوان مدل آشفتگی و VOF را به عنوام مدل جریان چند فازي انتخاب کرده ایم.فرمول بندي حلال نیز Segregated انتخاب شده است.
کلمات کلیدي: سرریز اوجی، کاویتاسیون، دینامیک سیالات محاسباتی،.FLUENT
مقدمه
در تحلیل و طراحی سازه هاي هیدرولیکی اطمینان و بازدهی بیشتر منوط به استفاده از روشهاي با کارایی بالاتر و تأمل عمیق تر بر رفتار جریان می باشد.با حل معادلات حاکم بر جریان بر اساس روش هاي عددي امکان تعیین پارامترهاي جریان در محدوده وسیعی فراهم می گردد.این معادلات را در حالت کلی معادلات ناویر-استوکس تشکیل می دهند.حل معادلات جریان غیر لزج و غیر چرخشی برروي سرریز از دیرباز مورد توجه بوده اند.
استفاده از مدل هاي آزمایشگاهی گاه نیاز به زمان و هزینه زیاد دارد.روش دیگر جهت بررسی جریان استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می باشد که اساس آن را روش هاي عددي تشکیل می دهند.
حل عددي معادلات ناویر-استوکس به دلیل ماهیت غیر خطی بودن داراي پیچیدگی هاي خاص خود بوده و همواره حل معادلات حاکم را با مشکلاتی مواجه ساخته است.در چند سال گذشته حل این معادلات یه دلیل نیاز به حافظه کامپیوتري زیاد امکان پذیر نبود.خوشبختانه امروزه امکان حل این معادلات براي بسیاري از حالت ها فراهم شده است.در این راستا وجود نرم افزارهاي تخصصی که براي جریان هاي مورد نظر طراحی شده باشند،می توانند علاوه بر کاهش هزینه هاي آزمایشگاهی تا حدود زیادي در زمان صرفه جویی کنند.
معادلات کلی حاکم بر جریان سیال
معادلات کلی حاکم بر جریان سیال و انتقال حرارت از سه اصل اساسی بقاء جرم ، بقاء اندازه حرکت و بقاء انرژي نشات می گیرند .(4)با در نظر گرفتن یک المان حجمی و نشان دادن جریانهاي ورودي و خروجی و به کار بردن اصل بقاء جرم به این صورت که نرخ افزایش جرم در المان سیال برابر است با نرخ خالص جریان جرم ورودي به المان سیال ، معادله پیوستگی به شکل زیر به دست می آید
w v u
ترتیب مولفه هاي سرعت در جهت هاي چگالی سیال می باشد . براي سیالات تراکم ناپذیر نظیر مایعات ، چگالی ثابت بوده و معادله پیوستگی به صورت زیر در می آید :
اگر براي این المان مولفه هاي تنش را در سه جهت نوشته و قانون بقاي اندازه حرکت به کار برده شود.اندازه حرکت در0سه جهت x و y وz به صورت زیر به دست می آیند :
معادلات اندازه حرکت فوق به نام دو دانشمندي که در قرن نوزدهم به طور مستقل این معادلات را بدست آوردند به معادلات ناویر-استوکس معروفند . این معادلات به همراه معادله پیوستگی ، معادلات اساسی حاکم بر جریان سیال نیوتنی می باشند.
پیشینه تحقیق
حل معادلات دو بعدي جریان پتانسیلی براي جریانهاي ثقلی داراي سطح آزاد نظیر روي سرریز از دیرباز موردتوجه بوده است.ماهیت پیچیده جریان برروي سرریز مانع از آن شده است که محققان مختلف تحلیل جامعی از آن به عمل آورند. در سالهاي اخیر همزمان با پیشرفت در برنامه هاي CFD امکان حل معادلات جریان در حالات واقعی تر به وجود آمده است. کسیدي در سال 1965 از نخستین کسانی است که معادله لاپلاس را براي بررسی جریان روي سرریز به کار برد. او روش تفاضل محدود را در صفحه محاسباتی براي تعیین منتغیرها به کار گرفت و براي تبدیل صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی از روش متغیر هاي مختلط استفاده نمود. مراحل محاسباتی شامل یک سري محاسبات سعی و خطایی می شد که بر اساس آن پروفیل سطح آب به ازاي هر هد به دست می آمد. ایکگاوا و واشیزو در سال 1973 از نخستین کسانی بودند که از روش اجزاي محدود جهت حل معادلات لاپلاس برروي سرریز استفاده کردند.آنها از روش اصل تغییرات براي بدست آوردن معادلات انتگرالی استفاده کردند. در مراحل سعی و خطایی جهت تعیین پروفیل سطح آب المانهاي سطحی تغییر می کردند. دیرش و همکارانش در سال 1977 از روش اجزاي محدود با شبکه بندي انعطاف پذیر ( غیر صلب ) براي حل معادلات جریان پتانسیل روي سرریز استفاده کردند.((5
برجیسر و راتچمن در سال 1999 از روش المان محدود براي حل معادلات ناویراستوکس و با در نظر گرفتن لزجت را ثابت و برابر 0,0001 متر بر ثانیه در نظر گرفت.آنها براي تعیین معادلات انتگرالی از دو روش گالرکین و حداقل مجذورات استفاده نمودند و جهت افزایش دقت تعداد گره ها را نواحی مرزي افزایش دادند(.(6 آسی در سال 2001 از روش تفاضل محدود با بیان شکل دیگري از شرایط مرزي نیومن جهت حل معادلات جریان پتانسیل روي سرریز استفاده کرد. سویج و جانسون در سال 2001 معادلات متوسط رینولدز را براي تحلیل جریان دو بعدي با استفاده از نرم افزار FLOW-3D به کار بردند. آنها براي مدل سازي مرز سخت از روش FAVOR و براي سطح آزاد از مدل VOF استفاده کردند .
مروري بر کارهاي انجام شده در زمینه تحلیل عددي جریان روي سرریز اوجی نشان می دهد که در بیشتر آنها حل معادلات جریان در قالب معادلات جریان غیر لزج و آشفته نیاز به کامپیوترهایی با پردازنده هاي پرقدرت و همچنین حافظه بالا دارد که این امکان در چند سال گذشته وجود نداشت . با پیشرفت در کامپیوترهاي موجود در حال حاضر حل معادلات جریان در شکلهاي پیچیده تر و نزدیک به شرایط واقعی فراهم شده است.((7
روش هاي عددي مورد استفاده در سیا ف دي
روشهاي عددي مورد استفاده در CFD عبارتنداز :روش المان هاي محدود- روش احجام محدود- روش تفاضلات محدود - روش هاي طیفی.که در میان این روش ها روش FVM داراي کاربرد بیشتري به خصوص در مدل سازي جریان هاي تراکم ناپذیر می باشد. بیشتر نرم افزار هاي تجاري در زمینه دینامیک محاسباتی سیالات نیز بر مبناي این روش بسط و توسعه یافته اند.براي ساخت مدلمان از نرم افزار FLUENT استفاده کرده ایم. نرم افزار FLUENT ، اوج هنر برنامه نویسی براي مدل کردن جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه هاي پیچیده می باشد. این نرم افزار قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و به عنوان یک اختیار ،کاربر می تواند هر کدام را انتخاب نماید. (3)
براي ساخت مدل عددي طراحی سرریز اوجی ابتدأ باید مختصات سرریزمان را داشته باشیم و سپس مدلمان را بسازیم که این کار را می توانیم در داخل برنامه GAMBITانجام بدهیم و سپس در داخل همین برنامه میتوانیم سازه ساخته شدمان را به صورتی که دلخواهمان می باشد مش بندي کنیم.سپس این فایل ساخته شده را در برنامهFLUENT حل می کنیم از FLUENT دو بعدي با پردازشگر یک دقته استفاده میکنیم در مرحله بعد باید باید روش حل مسئله را انتخاب کنیم.FLUENT سه روش براي فرمول بندي حلال تدارك دیده است:
Segregated - 1
Coupled Implicit -2
Coupled Explicit - 3
این سه فرمول بندي حلال ، نتایج بسیار دقیقی را در بازه وسیعی از انواع سیال ارائه می دهد . در بعضی موارد ممکن است یکی از فرمول بندي ها بهتر باشد به عنوان مثال با به کار بردن یکی از شیوه ها بسته به شیوه هاي دیگر ممکن است حل سریعتر همگرا شود. شیوه Segregated ترجیحا براي جریان هاي غیر قابل تراکم و یا به طور ملایم قابل تراکم به کار برده می شود. اما شیوه Coupled به طور اختصاصی براي جریان هاي قابل تراکم سرعت بالا طراحی شده است. در چند مدل فیزیکی باید شیوه Segregated استفاده شود.زیرا شیوه Coupled براي این مدل ها موثر واقع نمی شود : مدلهاي چند فازي، مدلهاي احتراق، مدلهاي تشعشعی، مدلهاي تغییر فازو مدلهاي جریان متناوب (2).
