بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق به منظور ارزیابی تأثیر شرایط هیدرولیکی جریان و هندسه شیب شکن های مایل مستطیلی در میزان استهلاک نسبی انرژی کل از نرمافزار Flow3D استفاده شده است. بدین منظور مدل شیب شکن در 2 ارتفاع و 2 شیب متداول توسط این نرم افزار شبیه سازی گردید. در نهایت با استفاده از آنالیز ابعادی رابطه ای جهت برآورد استهلاک نسبی انرژی کل ارائه گردید که ضرایب آن با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه و نتایج بدست آمده با افزونه Solver در نرم افزار Excel مقایسه شد.
نتایج نشان داد که با افزایش میزان دبی جریان، میزان استهلاک نسبی انرژی کل کاهش می یابد. همچنین افزایش ارتفاع شیب شکن مایل مستطیلی باعت افزایش اتلاف انرژی کل سازه خواهد شد. علاوه بر این، الگوریتم ژنتیک توانسته است با دقت قابل قبولی - خطای کمتر از 4/3 درصد - میزان استهلاک نسبی انرژی کل را برآورد نماید.
1. مقدمه
شیب شکن ها از جمله متداولترین ساختمان های هیدرولیکی مستهلک کننده انرژی در آبراهه های فرسایش پذیر، شبکه های آبیاری و زهکشی، سیستم های تصفیه جمع آوری و دفع فاضلاب می باشند، که با توجه به کاربردشان اهداف بکارگیری آن ها متفاوت می باشد
وظیفه شیب شکن ها انتقال جریان از یک ارتفاع بالاتر به تراز پایین تر و مستهلک کردن انرژی ناشی از این اختلاف ارتفاع می باشد. شیب شکن مایل مستطیلی سازه ای با عرض ثابت و مستطیلی شکل است که آب را از یک تراز بالاتر به تراز پایین تر انتقال می دهد؛ بطوریکه انرژی اضافی سینماتیکی جریان را نیز مستهلک می کنند.
این نوع شیب شکن ها برای اختلاف ارتفاع 1 تا 5 متر مناسب می باشند .[2] در شکل - 1 - شماتیک شیب شکن مایل مستطیلی و پارامترهای هندسی و هیدرولیکی آن نشان داده شده است. پرش هیدرولیکی، روشی جهت تبدیل جریان فوق بحرانی به زیربحرانی همراه با اتلاف انرژی جریان می باشد.
درصد عمده ای از انرژی جریان در نتیجه وقوع پدیده پرش هیدرولیکی در پایین دست ساختمان شیب شکن مستهلک می گردد و درصد قابل توجه دیگری نیز در ضمن عبور جریان از روی شیب شکن و قبل از رخداد پرش تلف می شود، که قسمت اخیر جهت تمیز دادن از اتلاف انرژی پرش، استهلاک انرژی سازه و مجموع این دو استهلاک انرژی کل نامگذاری می گردد
الگوریتم ژنتیک1اولین بار توسط هالند2در سال 1976 میلادی معرفی گردید . این الگوریتم بطور وسیعی در مسائل مهندسی به ویژه در مسائل بهینه سازی شبکه لوله های آبرسانی، سازه های هیدرولیکی، کالیبراسیون مدل ها، مدل های هیدرولوژیکی و پمپاژ آب های زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفته است
باس و همکاران - 1984 - 1، به بررسی پارامترهای شیب شکن مایل مستطیلی پرداختند. آن ها در محاسبات خود از استهلاک انرژی سازه صرفنظر کردند. نتایج آن ها نشان داد که رقوم انرژی در حوضچه پایاب شیب شکن مایل مستطیلی بسیار بیشتر از حالتی است که در یک شرایط یکسان از یک شیب شکن قائم استفاده می شود. زیرا در شیب شکن قائم، انرژی در اثر برخورد جت جریان در حوضچه پایین دست لبه شیب شکن و اختلاط و تلاطم ایجاد شده مستهلک می گردد
صمدی رحیم و همکاران - 1395 - ، با استفاده از نرم افزار Flow3D پارامترهای هیدرولیکی جریان و استهلاک انرژی را در شیب شکن های قائم شبکه ای مورد بررسی قرار دادند. آن ها نتایج حاصل را با شیب شکن قائم ساده مقایسه و میزان بهبود راندمان سیستم را در اثر حضور مستهلک کننده شبکه ای ارزیابی کردند. نتایج آن ها نشان می دهد که وجود مستهلک کننده شبکه ای سبب افزایش راندمان استهلاک انرژی در مقایسه با شیب سکن قائم ساده می گردد
صمدی رحیم و همکاران - 1395 - ، میزان استهلاک انرژی و پارامترهای هیدرولیکی جریان را در حضور سازه مسهتلک کننده شیاری بر روی تاج شیب شکن قائم مطالعه کردند. آن ها شبیه سازی مدل ها را توسط نرم افزار Flow3D انجام دادند. آن ها اظهار داشتند که استفاده از مستهلک کننده شیاری سبب افزایش راندمان استهلاک انرژی در مقایسه با شیب شکن قائم ساده می گردد. همچنین روابطی را به منظور تخمین پارامترهای هیدرولیکی در شیب شکن های قائم مجهز به مستهلک کننده شیاری استخراج کردند
ولی نیا و همکاران - 1391 - ، تأثیر آرایش بلوک های کف حوضچه آرامش را بر روی میزان استهلاک انرژی در شیب شکن های مایل مستطیلی بصورت آزمایشگاهی بررسی کردند. آن ها نتیجه گرفتند که آرایش پیشنهادی توسط USBR دارای بهترین عملکرد می باشد و میزان استهلاک انرژی در حالت پرش آزاد - بدون عمق پایاب - بیشتر از حالتی است که پرش روی شوت بلاک ها صورت گیرد
کوتی و کاشفی پور - 1388 - ، با استفاده از نرم افزار Flow3D به مدلسازی عددی افت انرژی و همچنین پارامترهای هیدرولیکی جریان در شیب شکن قائم مستطیلی توسط مدل های مختلف تلاطم پرداختند و نتایج مدلسازی عددی را با مقادیر آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج آن ها نشان داد که بهترین مدل آشفتگی جهت شبیه سازی، مدل RNG می باشد
شکل -1 شماتیک شیب شکن مایل مستطیلی به همراه پارامترهای هیدرولیکی و هندسی آن
2. 1 نرم افزار Flow3D
نرم افزار Flow3D یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را شبیه سازی کند. این نرم افزار از روش حجم محدود برای حل معادلات حاکم بر جریان با شبکه بندی منظم قائم و روش حجم سیال - VOF - 2 برای محاسبه سطح آزاد آب در مجاری باز استفاده می کند. همچنین معادلات استاندارد جریان مانند معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی را برای تمام فضای محاسبات حل عددی کرده و از پنج مدل آشفتگی در حل خصوصیات جریان های آشفته استفاده میکند. فرم کلی معادلات پیوستگی و مومنتوم متوسط گیری شده زمانی به ترتیب در روابط 1 و 2 اشاره شده است :
در معادلات بالا، Ax، Ay و Az مساحت جزئی روی وجوه هر المان که سیال در آن جریان دارد؛ متغیرهای u، v و z؛ VF نسبت حجم مایع در هر المان؛ p فشار؛ fi تنش رینولدز؛ gi نیروی گرانش در راستای i و w به ترتیب سرعت در راستای x، y باشد.
2 .2 مدلسازی عددی
هدف اصلی این تحقیق، بررسی تأثیر هندسه شیب شکن های مایل مستطیلی در میزان استهلاک انرژی جریان توسط مدل Flow3D می باشد. از این رو، برای شبیه سازی پروفیل سطح آب از روش حجم سیال استفاده شد و پارامترهای آشفتگی با استفاده از مدل آشفتگی گروه نرمال شده - RNG - 1 شبیه سازی گردید. بدین ترتیب 4 مدل فیزیکی متفاوت در این نرم افزار شبیه سازی گردید؛ بطوریکه دو ارتفاع 15/5 و 25/5 سانتی متر و برای هر کدام از ارتفاع ها، 2 شیب مجرای 26/5 و 37/7 درجه - به ترتیب 1:2 و - 1:1/5 در نظر گرفته شد. عرض شیب شکن در تمام آزمایشات ثابت و برابر با 25 سانتی متر می باشد.
سپس با برقراری شرایط هیدرولیکی مختلف، میزان اتلاف انرژی مدل ها بررسی گردید. دامنه دبی های مورد استفاده جهت شبیه سازی 5/1 -55/4 لیتر برثانیه می باشد. شبکه بندی مدل بطور متوسط با ابعاد 0/1 8/1 5 سانتی متر به ترتیب در راستای طولی، عرضی، ارتفاعی انجام شد و تعداد متوسط 50000 گره انتخاب گردید. شکل 2، شماتیک شبکه بندی تولید شده را نشان می دهد. در مقطع ورودی از شرایط مرزی شدت جریان و در مقطع خروجی شرایط مرزی Outflow انتخاب شد. از شرایط مرزی دیواره در مرزهای جامد استفاده گردید و در سطح آزاد جریان شرایط مرزی تقارن بکار گرفته شد.
شکل -2 شماتیک میدان حل و شبکه بندی مورد استفاده برای شیب شکن مایل مستطیلی
3 .2 محاسبه استهلاک انرژی
با توجه به اینکه هدف تحقیق حاضر بررسی میزان تلفات انرژی در شیب شکن می باشد، در ادامه به روابط مورد نیاز جهت محاسبات استهلاک انرژی پرداخته شده است. میزان انرژی جریان در بالادست مدل را می توان از رابطه زیر بدست آورد که در این رابطه Ht کل انرژی جریان در بالادست، Z ارتفاع شیب شکن و yc عمق بحرانی جریان هنگام عبور از شیب شکن می باشد
