بخشی از مقاله
چکیده
طراحی سدها و سازههای مرتبط آنها اغلب با استفاده از مدلهای مقیاس و مدلسازی فیزیکی صورت میگیرد. در حالیکه استفاده از این روشها هزینهبر و زمانبر میباشند و اثرت مقیاس بر آنها نیز قابل ملاحظه است. امروز به توسعه تکنیکهای پیشرفته دینامیک سیالات محاسباتی مدلسازی رفتار هیدرولیکی اینگونه سازه با استفاده مدلهای CFD در زمان معقول و با هزینه کمتر امکانپذیر شده است.
بهمین دلیل در این مقاله رفتار هیدرولیکی سریز اوجی سدها با استفاده از تکنیک مدلسازی عددی بررسی شده است و جنبههای کاربردی از مدلهای مبتنی بر CFD در مسائل واقعی ارائه شده است. بدین منظور از برنامه Fluent استفاده شده است و برای شبکهبندی مدل تاج سرریز سد از شبکهبندی چند بلوکی استفاده شده است مدل تاج سرریز نیز به چهار ناحیه تقسیمبندی شده است و سطح آب به روش VOF مدلسازی شده است و تاثیر نسبتهای H/Hd بر توزیع فشار روی تاج سد بعنوان مشخصه طراحی بررسی شده است.
-1 مقدمه
درمسائل مهندسی امروزی شناخت رفتار یا عکسالعمل یک پدیده نقش بسزائی در بررسی نتایج بدست آمده و طراحی دقیق مسائل مهندسی دارد[1]، شناخت نحوه رفتار جریان برروی سرریز سازههای آبی از اهمیت ویژهای برخوردار است.
امروزه استفاده از روشهای عددی در محاسبات کامپیوتری اهمیت زیادی داشته و به عنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسایل مهندسی بهکار می رود. علم دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به صورت یک ابزار توانا برای تحلیل رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستمهای با هندسه ناموزون و معادلات حاکم پیچیده برای محققان و مهندسان درآمده و در دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است.
معمولاً در طراحی سدهای انحرافی از سرریز نوع اوجی استفاده میشود. بررسی رفتار جریان برروی تاج سرریز برای دبیهای بیشتر از دبی طراحی از اهمیت بسزایی در طراحی تاج سرریز برخودار است به طوریکه اگر فشار ایجاد شده برروی تاج سرریزهای اوجی کمتر از فشار اتمسفر گردد، فشار منفی برروی سرریز که برای دبیهای بیشتر از دبی طراحی اتفاق میافتد باعث پدیده کاوتیاسیون میگردد بطوریکه این پدیده خسارات جبران ناپذیری را برای بسیاری از سازههای آبی به بار آورده است
ازجمله سازههای آبی که با این پدیده روبرو هستند میتوان به سرریز سد شهید عباسپور اشاره کرد که برای دبیهای بیشتر از دبی طراحی، مشکلاتی برای سرریز این سد ایجاد شده است.
چنانچه سرریز بتنی درست همانند منحنی زیرین توده جریان ساخته شود، سرریز ایدهآل به دست خواهد آمد و فشار روی تاج سرریز معادل فشار اتمسفر است. در چنین حالتی چنانچه بار استاتیکی آب روی تاج سرریز - H - افزایش یابد، فشار روی تاج سرریز، در اثر کندهشدن توده جریان، منفی شده و امکان لرزش در سازه و خوردگی را به وجود خواهد آورد.
برعکس چنانچه بار استاتیکی آب روی تاج سرریز کاهش یابد، توده جریان روی بدنه سرریز خوابیده و مقداری اصطکاک اضافی به وجود میآورد که درنتیجه افت انرژی افزایش مییابد. باتوجه به اینکه H برای دبی طرح درنظر گرفته میشود، در حالت دوم بیشتر اتفاق میافتد. بنابراین ارزش کاربردی شبیهسازی عددی سهبعدی جریان عبوری از روی سریز سدها مشخص است.
لذا در این مقاله نحوه رفتار جریان بر روی تاج سرریز اوجی سدها با استفاده از نرمافزار Fluent مورد بررسی قرار گرفته است. از آنجائی که برای مهار آبهای سطحی و سیلابها از سدهای انحرافی با سرریز اوجی استفاده میگردد لذا هدف این مقاله آن است که با توجه به دقت نتایج بدست آمده براساس مدل عددی - CFD - برروی سرریز اوجی و با استفاده از نرمافزار Fluent بتوان با اطمینان خاطر بیشتری ازمدلهای - CFD - استفاده کرد[1] و تاثیر نسبتهای H/Hd بر توزیع فشار روی سرریز اوجی بصورت عددی بررسی شده است.
-2 مدلسازی عددی در نرمافزار فلوئنت
نرم افزار فلوئنت اوج هنر برنامهنویسی برای مدلکردن جریان سیال و انتقال حرارت در هندسههای پیچیده میباشد . این نرمافزار امکان تغییر شبکه را به طور کامل و تحلیل جریان با شبکههای غیر ساخت یافته برای هندسههای پیچیده را فراهم می سازد. این قابلیت فلوئنت موجب بهبود نتایج در نواحیای که دارای گرادیانهای بزرگ است مانند لایههای مرزی میشود
مراحل شبیهسازی در مدل بصورت زیر است: .1 تولید شکل - هندسه مساله - ؛ .2 شبکهبندی در نرمافزارهای پیش پردازنده؛ .3 اجرای برنامه با توجه به هندسه - دو بعدی یا سه بعدی - ؛ .4 انتقال شبکه از پیش پردازنده به نرمافزار محاسبهگر؛ .5 بررسی شبکه تولید شده؛ .6 انتخاب شیوه محاسباتی و فرمولبندی حل؛ .7 انتخاب معادلات اصلی که بایستی حل شوند، آرام یا مغشوش بودن - لزج یا غیر لزج - ، اجزا شیمیایی یا واکنشی، انتقال حرارت و نیز بعضی
مدلهای مشخص دیگر از قبیل فنها، مبدلها، ناحیه متخلخل و غیر.؛ .8 مشخصکردن خواص مواد؛ .9 تعیین شرایط مرزی؛ .10 تنظیم پارامترهای کنترل کننده حل؛ .11 مقدار دهی اولیه به میدان جریان؛ .12 شروع محاسبات؛ .13 امتحان نتایج محاسبات؛ .14ذخیره نتایج؛ .15 بهینهسازی شبکه، حل و مدل فیزیکی - اگر نیاز باشد - .
-3 نتایج و بحث
در این مقاله مدلسازی سرریز سد انحرافی با استفاده از مدل فلوئنت انجام شده است . مشخصات سرریز مورد استفاده در جدول - 1 - ارائه شده است و مشخصات مدلسازی عددی در جدول - 2 - ارائه شده است.
جدول - 1 - مختصات تاج و بدنه سرریز سد انحرافی مورد
در شبکهبندی مدل سرریز سد انحرافی از نوع شبکههای چندبلوکی یعنی ترکیبی از شبکه بیسازمان و شبکه بی سازمان با المانهای مربع و مثلثی استفاده شده است در شکل - 1 - شبکهبندی سد انحرافی ارائه شده است.
شکل - 1 - شبکه بندی سد انحرافی
همانطور که اشاره شده است در جاهائیکه گرادیان - فشار - به شدت تغییر میکند بایستی شبکه را ریزتر کرد تا تغییرات را به صورت دقیق بررسی کند لذا از آنجائیکه تغییرات فشار بر روی تاج سرریز اوجی سد انحرافی از نوع شبکه استفاده شده است و المانهای نزدیک سطح تاج سرریز برای بررسی و نتایج دقیقتر ریزتر در نظر گرفته شده است.
شرط مرزی بالادست تاج سرریز از نوع Pressure inlet و شرط مرزی پاییندست تاج سرریز از نوع Pressure outlet در نظر گرفته شده است برای بدنه و تاج سرریز شرط مرزی wall و برای بالا تاج سرریز شرط مرزی Pressure outlet در نظر گرفته شده است. همچنین برای بهبود در کیفیت شبکهبندی شرط مرزی Interal برای بالای تاج سرریز مناسب تشخیص داده شد است. در جدول - 2 - مشخصات شبکه بندی و شرایط مرزی برای بدنه و تاج سرریز سد انحرافی ارائه شده است.
در شبکه بندی تاج سرریز اوجی تعدادی از المانهای شبکه پر و تعدادی از المانها خالی از سیال مورد نظر - آب - هستند و تعداد دیگری از المانها نیز حالت نمیه پر دارند. لذا المانها به صورت دو فازی یعنی ترکیبی از آب و هوا میباشند. در جریانهای دو فازی میتوان از مدل VoF استفاده کرد. در این مدل تقابل بین فازها از اهمیت ویژهای برخودار است و مجموعهای از معادلات مومنتم سیالها و جزء حجمی هر یک از فازها محاسبه میشود. در مدلسازی سرریز اوجی سد انحرافی از مدل VOF استفاده شده است.
در مورد انتخاب فرمولاسیون VOF برای سرریز اوجی سد انحرافی از روش جریان ناپایا به همراه میانیابی ضمنی استفاده شده است. در این حالت لازم است حل پایای نهایی به شرایط اولیه جریان وابسته بود و نوع روش محاسباتی Explicit میباشد. زماینکه محاسبات ناپای VOF در نرمافزار Fluent انجام میشود، گامهای زمانی که برای محاسبات کسر حجمی به کار میرود، همان گام زمانی که برای معادلات انتقال استفاده میشود، نمیباشد. در این حالت نرمافزار Fluent به طور خودکار گام زمانی را براساس عدد کورانت درنزدیکی سطح آزاد، ریز میکند.
