بخشی از مقاله
چکیده
پرشهیدرولیکی نوعی جریان متغیرسریع است که در کانال های باز شکل میگیرد و جریان فوق بحرانی را به زیر بحرانی تبدیل میکند. این نوع جریان در عین کاربردهای عملی زیادی که در سازه های هیدرولیکی دارد اما به دلیل عدم توزیع هیدرواستاتیک فشار در عمق، جریانی پیچیده است و عمدتاً بصورت تجربی قابل مطالعه است. از آنجا که مطالعات آزمایشگاهی گران قیمت و نیازمند امکانات گسترده اند لذا امروزه استفاده از مدلسازی دقیق جریانهای پیچیده توسط ابزارهای مدلسازی عددی پیشرفته، توانسته تا حدی جایگزین ابزارهای آزمایشگاهی شود.
اما نرمافزار های شبیهسازی سه بعدی جریان که به روش VOF به مدل کردن جریان میپردازند، قادر به مدلسازی سطح آزاد آب نیستند. از این رو جهت مدلسازی جریان های با سطح آزاد و از جمله پرش هیدرولیکی، به معیار مشخصی نیاز داریم که تعیین کننده سطح آزاد باشد. در این پژوهش ابتدا پدیده پرشهیدرولیکی در کانال های مستطیلی با ابعاد مختلف که رابطه تحلیلی در آن در دست است شبیه-سازی شده و مقدار چگالی متناظر با عمق ثانویه بر اساس فرمول تحلیلی در این کانال ها تعیین شد. مهمترین دستاورد این تحقیق تعیین معیاری برای چگالی معادل سطح آزاد آب در پرش هیدرولیکی برای کاربرد در کانالهایی است که رابطه تحلیلی پرش در آنها در دسترس نیست و توسط ابزارهای مدلسازی سه بعدی اقدام به شبیه سازی پرش در آنها میشود.
مقدمه:
پرش هیدرولیکی پدیده شگفت انگیزی است که لئوناردو داوینچی اولین بار تعریفی از آن را ارائه داد و مهندس ایتالیایی bidon در سال 1818 اولین تحقیق آزمایشگاهی را روی آن انجام داد.[7] در ابتدا تئوری پرش هیدرولیکی روی کانالهای افقی که در آن اثر وزن آب ناچیز است مورد مطالعه قرار گرفت و سپس نتایج آن در بسیاری از مسائل مهندسی تعمیم یافت. پرش هیدرولیکی یا جهشآبی یک نوع جریان متغیر سریع است که دارای ویژگیهایی است که از آن جمله میتوان به تغییر ناگهانی رژیم جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی، بالا رفتن تراز سطح آب، حرکات نوسانی متلاطم و ناپایدار، اختلاط هوا در آب، اتلاف شدید انرژی، صدا دار شدن جریان و تغییر در توزیع فشار هیدروستاتیک جریان اشاره نمود.
پرش هیدرولیکی میتواند در دو حالت جریان آزاد با سطح مقطعی از مایع یکنواخت و یا مایع مطبق با وزن مخصوصهای متفاوت تشکیل گردد که در هر دو حالت پرش با آشفتگی جریان و از بین رفتن انرژی همراه است. پرش هیدرولیکی در کانالهای باز دارای کاربردها و خواص فراوانی است که میتوان به ایجاد جریان آرام در پاییندست، بالابردن سطح پایاب1 برای کاهش اثر فشار برکنش2، اختلاط مواد خارجی در آب و جلوگیری از پدیده انسداد هوایی3 و از همه مهمتر استهلاک انرژی اشاره کرد11] و .[3 این انحراف به شکل جریانهای ثانویهای از نوع گردابههایی در مقطع طولی مشاهده میشوند.
اندرکنش این گردابهها با جریان اولیه یا اصلی کانال، موجب اتلاف انرژی شدید و ورود هوا و ایجاد سروصدا در جریان و تشکیل پرش هیدرولیکی می شود. طبعا هر چه انرژی اولیه پرش، بدلیل بالا بودن دبی یا عدد فرود اولیه جریان، بیشتر باشد، شدت پرش و انرژی مستهلک شده بیشتر خواهد بود.[5] پرش هیدرولیکی در عین کاربردهای عملی زیادی که در سازه های هیدرولیکی دارد اما به دلیل عدم توزیع هیدرواستاتیک فشار در عمق، جریانی پیچیده است و عمدتاً بصورت تجربی قابل مطالعه است.
از آنجا که مطالعات آزمایشگاهی گران قیمت و نیازمند امکانات گسترده اند لذا امروزه استفاده از مدلسازی دقیق جریانهای پیچیده توسط ابزارهای مدلسازی عددی پیشرفته، توانسته تا حدی جایگزین ابزارهای آزمایشگاهی شود. اما نرمافزار های شبیهسازی سه بعدی جریان که به روش VOF به مدل کردن جریان میپردازند، قادر به مدلسازی سطح آزاد آب نیستند. از این رو جهت مدلسازی جریان های با سطح آزاد و از جمله پرش هیدرولیکی، به معیار مشخصی نیاز داریم که تعیین کننده سطح آزاد باشد. از آنجا که در پدیده پرش هیدرولیکی یافتن اعماق مزدوج امری با اهمیت است لذا یافتن پارامتری برای رسم پروفیل سطح آزاد جریان در پرش اهمیتی دو چندان دارد.
پارامتر چگالی به علت مشترک بودن در محیط دو فازی آب و هوا و قابل دسترس بودن در اکثر نرمافزار های شبیهسازی جریان معیار مناسبی برای شبیهسازی سطح آزاد می- باشد. در این تحقیق از نرم افزار Fluent استفاده شده است. این نرم افزار قادر است به مدلسازی جریانهای دو فازی - - VOF آب و هوا با مدل های آشفتگی گوناگون بپردازد که در این تحقیق از مدل آشفتگی K- RNG استفاده گردید. در این پژوهش ابتدا پدیده پرشهیدرولیکی در کانالهای مستطیلی با ابعاد مختلف که رابطه تحلیلی در آن در دست است شبیهسازی شده و مقدار چگالی متناظر با عمق ثانویه بر اساس فرمول تحلیلی در این کانالها تعیین شد.
در این بین برای اطمینان از مدلسازی پرش پارامترهای سرعت، فشار و چگالی در نقاط قبل و بعد و بدنه پرش بررسی شد. در نهایت توسط چگالی تعیین شده پروفیل سطح آب رسم شد. مهمترین دستاورد این تحقیق تعیین معیاری برای چگالی معادل سطح آزاد آب در پرش هیدرولیکی برای کاربرد در کانالهایی است که رابطه تحلیلی پرش در آنها در دسترس نیست و توسط ابزارهای مدلسازی سه بعدی اقدام به شبیه سازی پرش در آنها میشود.
