بخشی از مقاله
چکیده
آب یک مادهی حیاتی است که وجود آن در هر نقطهای از جهان باعث حیات و زندگی میگردد. سرریزهای جانبی یکی از سازههای هیدرولیکی کاربردی و مهم در سیستمهای کنترل و هدایت آب هستند. جریان خروجی از سرریز جانبی سه بعدی است که باعث می-شود این سرریزها هیدرولیک پیچیدهای داشته باشند. در این مطالعه شبیهسازی عددی میدان جریان عبوری از سرریز جانبی مستطیلی لبه تیز با استفاده از نرم افزارFlow-3D انجام شده است.
مدل آشفتگی RNG K- به منظور بستن معادلات ناویراستوکس و روش VOF برای مدلسازی تغییرات پروفیل سطح آزاد بکار رفته است. اعتبارسنجی مدل با استفاده از نتایج آزمایشگاهی نشان داد که مدل عددی قادر است مدل آزمایشگاهی را با دقت قابل قبولی شبیهسازی نماید. با افزایش طول سرریز جانبی، محل شکل گیری ناحیه جدایی جریان به سمت پایین دست حرکت میکند و عرض این ناحیه افزایش مییابد.
.1 مقدمه
سرریز با کانال جانبی یا سرریز جانبی، سازه مرسومی است که از آن برای روگذری جریان استفاده میشود. سرریزهای جانبی متعارف در دیوار کناری کانال به موازات جهت جریان و در ارتفاع مورد نظر نصب میشوند، به طوریکه وقتی سطح آب از تراز سرریز بالاتر می-رود، بخشی از جریان به کنار منحرف شود. همچنین گاهی سرریز جانبی میتواند به عنوان منحرف کننده اصلی به کار رود. سرریزهای جانبی جریان در کانال اصلی را تحت تاثیر قرار داده و آن را به جریان متغیر مکانی با کاهش دبی تبدیل میکنند.
جریان متغیر مکانی عبارت است از جریان متغیر تدریجی دائمی با دبی متغیری که در طول کانال و درجهت جریان مقدار دبی آن تغییر می یابد. دی ماریچی - - 1934 اولین کسی بود که با صرفنظر کردن از اصطکاک و افت انرژی در طول سرریز معادله دینامیکی جریان متغیر مکانی با کاهش دبی را حل کرد و ضریب دی ماریچی را برای محاسبهی دبی خروجی از سرریز جانبی ارائه داد. تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی بسیاری به منظور بررسی هیدرولیک جریان در سرریزهای جانبی انجام شده است.
کلینچ - 1972 - نتایج به دست آمده توسط دی ماریچی را با یک سری آزمایشات بررسی کرد و به تفاوت قابل ملاحظهای بین تئوری و آزمایش در حالت جریان فوق بحرانی دست یافت که این تفاوت را ناشی از در نظر نگرفتن افت انرژی و تغییرات ضریب تخلیه سرریز در طول آن بیان نمود. سابرامانیا و آواستی - 1972 - با بررسی آزمایشگاهی، عباراتی را برای تغییرات ضریب دبی سرریز جانبی با ارتفاع صفر، در دوحالت جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی ارائه دادند.
هاگر - 1987 - با صادق ندانستن فرض رابطه دبی به بررسی آزمایشگاهی ضریب تخلیه سرریز جانبی با ارتفاع تاج صفر پرداخت و فرمول جدیدی برای سرریزهای جانبی ارائه داد. سینگ و همکاران - 1994 - نشان دادند که ضریب شدت جریان علاوه بر عدد فرود بالادست به نسبت ارتفاع سرریز به عمق جریان بالادست نیز بستگی دارد.
پاتیرانا و همکاران - 2006 - به بررسی ضریب دبی سرریزهای جانبی مستطیلی لبه تیز در حالت جریان فوق بحرانی با استفاده از دادههای آزمایشگاهی پرداختند. آنها با فرض ثابت بودن انرژی ویژه در کانال اصلی و با استفاده از تحلیل های رگرسیونی چندگانه به بررسی پارامترهای بدون بعد مختلف پرداختند و حل عددی معادلات جریان متغیر مکانی را پیشنهاد دادند و به این نتیجه رسیدند که ضریب دبی به عدد فرود بالادست، نسبت عمق آب بالادست به ارتفاع سرریز و طول سرریز به عرض کانال وابسته است.
مانگاروکار - 2010 - به بررسی آزمایشگاهی و عددی سرریز جانبی مستطیلی با ارتفاع صفر قرار گرفته در کانالهای افقی با شیب بستر صفر پرداخت. بررسیهای آزمایشگاهی برای تعیین توزیع سرعت، ناحیه ی سکون، ناحیه جدایی و پروفیل سطح آب انجام شد.
امیراقلو وهمکاران - 2011 - به بررسی آزمایشگاهی مشخصات جریان پرداختند و به این نتیجه رسیدند که نباید در معادلات ضریب دبی سرریزهای جانبی مستطیلی لبه تیز اثر پارامترهای نسبت طول سرریز به عرض کانال اصلی و ارتفاع بالادست جریان را نادیده گرفت. باقری و حیدرپور - - 2012 به بررسی آزمایشگاهی مولفههای مختلف سرعت و توزیع دبی موضعی و تغییرات زاویه خروجی جت جریان روی تاج و مجاورت سرریز جانبی مستطیلی پرداختند و به این نتیجه دست یافتند که تغییرات مولفههای مختلف سرعت نشان میدهد که ناحیه سکون در انتهای سرریز جانبی رخ میدهد.
با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته هم اکنون نرمافزارهای تجاری متعددی برای تحلیل جریان وجود دارند، که استفاده از آنها موجب افزایش دقت، صرفه جویی در زمان و هزینه و همچنین اندازهگیری پارامترهایی میشود که اندازهگیری آنها در آزمایشگاه مقدور نیست. تعدادی از محققان نیز با شبیهسازی عددی به بررسی خصوصیات جریان در سرریزهای جانبی پرداختند. کیو - 2005 - جریان روی سرریز جانبی را به صورت سهبعدی با استفاده از مدل آشفتگی k- و مدلسازی سطح آزاد به روش VOF شبیهسازی نمود و مدل عددی خود را با نتایج آزمایشگاهی سابرامانیا و آوستی - - 1972 مورد اعتبارسنجی قرار داد و به این نتیجه دست یافت که محل ناحیه سکون در نزدیکی لبه پاییندست سرریز جانبی میباشد.
تدین - 2009 - مدلی سهبعدی با مدل انتقال تنش رینولدز RSM و طرح VOF برای به دست آوردن دبی جریان، پروفیل سطح آزاد و توزیع سرعت در سرریزجانبی استفاده کرد. او پیش بینی مدل خود را با استفاده از نتایج آزمایشگاهی هاگر - 1987 - در رابطه با دبی جریان و پروفیل سطح آزاد آب و برای توزیع سرعت با استفاده از دادههای آزمایشگاهی سابرامانیا و آواستی - 1972 - اعتبارسنجی کرد.
مانگاروکار - - 2010 سرریز جانبی را به صورت سه بعدی در ANSYS 12 با استفاده از روش VOF و مدل آشفتگی RNG k- و با 298500 سلول مدلسازی کرد. محمودی نیا و همکاران - - 2012 با ثابت نگهداشتن عمق ورودی و تغییر در میزان سرعت ورودی به بررسی عددی اثر عدد فرود بر سطح آزاد جریان در مقطع سرریز جانبی مستطیلی لبه تیز با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداختند و به این نتیجه دست یافتند با افزایش عدد فرود، نقطه ی ایستایی به سمت بالادست حرکت میکند. محمودی نیا و همکاران - 2014 - به بررسی عددی تاثیر ارتفاع تاج بر سطح آزاد در جریان های آشفته با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداختند. محمودی نیا و همکاران - 2014 - به بررسی عددی تاثیر طول سرریز بر سطح آزاد و الگوی جریان پرداختند و با بررسی خطوط جریان در ترازهای مختلف به این نتیجه رسیدند که با کاهش طول سرریز، ناحیه جدایی به سمت پاییندست حرکت میکند.
مطالعات جریان بر روی سرریزهای جانبی با توجه به پیچیدگی جریان در آنها هنوز کامل نشده است. در این مقاله شبیهسازی عددی جریان در سرریز جانبی مستطیلی لبه تیز با استفاده از نرم افزار Flow-3D صورت گرفته است. پس از اعتبار سنجی با دادههای آزمایشگاهی تاثیرات طول سرریز بر مشخصات جریان بررسی شد.
.2 معادلات حاکم
معادلات حاکم بر جریان معادله پیوستگی و مومنتم هستند که به صورت زیر تعریف میشوند.
دراین معادلات - u, v, w - مولفههای سرعت، - Ax ,Ay, Az - مساحت کسری محیط به جریان، - Gx ,Gy, Gz - نیروهای گرانشی و - fx ,fy, fz - شتابهای ناشی از لزجت در راستاهای - x, y, z - می باشند. P فشار و ρ چگالی سیال، VF کسری از حجم مرتبط با جریان و RSOR ترم چشمه میباشند. مدل آشفتگی RNG k- به منظور مدلسازی آشفتگی استفاده شده است. دلیل استفاده از این مدل دقت بالا در شبیهسازی جریانهای آشفته با شدت کم و نواحی با برش بالا نسبت به مدل آشفتگی k- استاندارد است
همچنین برای شبیه سازی سطح آزاد از روش VOF استفاده شده است که در آن سیال در داخل یک شبکه ثابت جریان دارد و هیچگونه تغییر شکل و یا جابه جایی شبکه را نداریم. بسیاری از مشکلات مدل سازی سطح آزاد توسط روش VOF که روش معمول مورد استفاده در برنامه های CFD بر اساس روش حجم محدود است، حل شده است.
.3 مدل آزمایشگاهی و میدان محاسباتی
در این مقاله جهت اعتبار سنجی مدل شبیهسازی شده از نتایج آزمایشگاهی باقری و حیدرپور - 2012 - استفاده شده است. این آزمایشات در یک فلوم مستطیلی بدون شیب به طول 8 متر، عرض 40 سانتیمتر و ارتفاع 60 سانتیمتر در آزمایشگاه هی درولیک دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شدهاند. ابتدای سرریز جانبی در فاصله 4/5 متری از ورودی کانال اصلی، و با طول 30 سانتیمتر و ارتفاع تاج 15 سانتیمتر میباشد.
سرعت متوسط بالادست در کانال اصلی 0/412 متر بر ثانیه و عمق بالادست برابر با 0/264 مورد استفاده قرارگرفته است. میدان محاسباتی شامل کانال اصلی و کانال جانبی در پایین دست سرریز به طول 0/5 متر است که آب پس از خروج از سرریز وارد آن میشود. برای شبکهبندی میدان حل در اطراف سرریز جانبی، به علت تغییرات شدید مشخصات جریان در این ناحیه از شبکهبندی ریزتری استفاده شده است. نحوه گسسته سازی محیط و مش بندی کانال در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل: 1 نحوه گسسته سازی محیط و مشبندی کانال: الف - نمای سه بعدی ب - مقطعZ-Y ج - پلان
.1-3 شرایط مرزی
شرایط مرزی مدل عددی باید طوری انتخاب شوند که قادر باشند مدل آزمایشگاهی را به خوبی شبیه سازی نمایند
