بخشی از مقاله
چکیده
سرریز هاي جانبی یکی از سازههاي انحراف آب هستند که به طور قابل توجهی براي اهداف گوناگون به کار گرفته میشوند. یکی از موارد محتمل تشکیل پرش هیدرولیکی در امتداد سرریز جانبی است که کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله پرش هیدرولیکی بر روي سرریز جانبی مورد بررسی قرار گرفته و مدل-سازي سه بعدي این پدیده با استفاده از نرم افزار FLOW-3D صورت گرفته است.
پس از اعتبارسنجی مدل با دادههاي آزمایشگاهی، پروفیلهاي سرعت و الگوي جریان در حالت تشکیل پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار گرفت. سرعت طولی تا قبل از شروع پرش افزایش یافته و با افزایش عمق جریان در نتیجه وقوع پرش هیدرولیکی کاهش مییابد تا به مقدار ثابتی برسد. همچنین مقدار ماکزیمم سرعت با شروع سرریز جانبی و حرکت به سمت پاییندست کاهش یافته و از مجاورت سرریز جانبی به سمت دیواره مقابل حرکت میکند.
-1 مقدمه
آب مادهاي حیاتی است که وجود آن در هر مکانی باعث حیات و زندگی میگردد و بنابراین شناخت منابع آب و چگونگی انتقال آنها جایگاه ویژ هاي در علم هیدرولیک دارد. سرریزهاي جانبی یکی از سازههاي انحراف جریان هستند که در حاشیه کانالها ساخته شده و براي اهداف گوناگونی مانند انحراف آب مازاد و یا آبگیري در شبکههاي آبیاري، زهکشی و سیستمهاي فاضلاب استفاده میگردند. در کل می توان سه نوع از جریان را در مقطع سرریز جانبی مشاهده کرد:
جریان زیر بحرانی: دراین حالت در کل طول سرریز جانبی جریان زیر بحرانی است. سطح آب از انتهاي بالادست به سمت انتهاي پاییندست سرریز به آرامی افزایش مییابد. این حالت معمولا در کانالهاي یکنواخت و یا کانالهاي با شیب کم رخ میدهد.
جریان فوق بحرانی: در این حالت در کل طول سرریز جانبی جریان فوق بحرانی است، ازینرو سطح آب از انتهاي بالادست سرریز به سمت انتهاي پاییندست آن افت میکند. این حالت معمولا درکانالهاي با شیب تند رخ میدهد.
جریان مرکب: این حالت ترکیبی از دو جریان ذکر شده در بالاست. در ابتدا جریان فوق بحرانی بوده و باعث کاهشسطح آزاد آب در طول سرریز جانبی میشود. این حالت با تشکیل یک پرش در نتیجه انتقال به جریان زیر بحرانی در مقطع پاییندست ادامه مییابد.[1]
تا کنون تحقیقات بسیاري بر روي دو حالت اول صورت گرفته، اما به حالت سوم کمتر پرداخته شده است. تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی بسیاري بر روي سرریزهاي جانبی مستطیلی در دو حالت جریان زیربحرانی و فوق بحرانی در کل طول سرریز انجام شده است. دي ماریچی - 1934 - براي اولین بار با صرفنظر از اصطکاك و افت انرژي در طول سرریز و حل معادله جریان متغیر مکانی با کاهش دبی، ضریب دبی دي ماریچی را ارائه داد.[2]
سابرامانیا و آواستی - 1972 - با بررسی آزمایشگاهی جریان بر روي سرریزهاي جانبی لبه تیز در کانال مستطیلی و شناسایی پارامترهاي موثر بر ضریب دبی، عبارتی را براي تغییرات ضریب دبی سرریز جانبی با ارتفاع صفر، بر حسب عدد فرود بالادست کانال اصلی ارائه دادند .[3] نادسامورتی و تامسون - 1972 - روابطی که توسط سابرامانیا و آواستی ارائه شده بود را مورد بررسی قرار دادند و رابطهي جدیدي براي ضریب دبی بدست آوردند.[4] هاگر - 1987 - با بررسی آزمایشگاهی، فرمول جدیدي براي سرریزهاي جانبی با ارتفاع تاج صفر ارائه داد.[5]
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.[6] برقعی و همکاران - - 1999 با بررسیهاي آزمایشگاهی به این نتیجه رسیدند که فرض دي ماریچی مبنی بر ثابت بودن انرژي ویژه در طول سرریز در جریان زیر بحرانی درست بوده و شیب کف کانال نیز در این نوع جریان قابل صرفنظر کردن است.[7] سامانی - 1384 - معادلات حاکم بر جریان متغیر مکانی با کاهش دبی را با استفاده از روش رانج کوتا مرتبه چهارم حل کرد و محل پرش هیدرولیکی را با استفاده از تعادل مومنتم قبل و بعد از پرش به دست آورد.
همچنین حل عددي کامل معادلات پیوستگی و اندازه حرکت در کانالهاي منشوري با سرریز جانبی را درشرایط با و بدون پرش هیدرولیکی ارائه داد.[8] پاتیرانا و همکاران - 2006 - به بررسی ضریب دبی سرریزهاي جانبی مستطیلی لبه تیز در حالت جریان فوق بحرانی با استفاده از دادههاي آزمایشگاهی پرداختند. آنها با فرض ثابت بودن انرژي ویژه در کانال اصلی و با استفاده از تحلیلهاي رگرسیونی چندگانه به بررسی پارامترهاي بدون بعد مختلف پرداختند.[9]
دورگارائو و پیلایی - 2008 - به مطالعه جریان در سرریزهاي جانبی مستطیلی در شرایط جریان فوق بحرانی پرداخته و به این نتیجه رسیدند که اصل مومنتم بسیار مناسبتر از اصل انرژي براي بررسی جریان متغیر مکانی در شرایط جریان فوق بحرانی است.[10] مانگاروکار - - 2010 توزیع سرعت، ناحیهي سکون، ناحیه جدایی و پروفیل سطح آب در سرریز جانبی مستطیلی با ارتفاع صفر را در کانالافقی به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داد .[1]
امیراقلو وهمکاران - 2011 - با بررسی آزمایشگاهی بیان داشتند که در معادلات ضریب دبی سرریزهاي جانبی مستطیلی لبه تیز باید اثر پارامترهاي نسبت طول سرریز به عرض کانال اصلی و ارتفاع بالادست جریان را نیز در نظر گرفت.[11] باقري و حیدرپور - 2012 - به بررسی آزمایشگاهی مولفههاي مختلف سرعت و توزیع دبی موضعی و تغییرات زاویه خروجی جت جریان روي تاج و مجاورت سرریز جانبیمستطیلی پرداختند و به این نتیجه دست یافتند که ناحیه سکون در انتهاي سرریز جانبی رخ میدهد.[12]
احمد - - 2013 با انجام آزمایشاتی بر روي سرریزهاي جانبی مایل واقع شده در کانال مستطیلی به این نتیجه رسید که دبی جریان در این سرریزها میتواند با زاویه دادن به سرریز افزایش پیدا کند.[13] هیاوي و همکاران - - 2014 به بررسی آزمایشگاهی پروفیلهاي سطح آب براي سرریزهاي جانبی مستطیلی، مثلثی، مایل، نیمه دایروي، نیمه شش گوش در حالت زیربحرانی پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که یکنواختی خطوط جریان در حالتیکهسرریز در جهت جریانقرار گیرد، بیشتر از حالتی استکه در خلاف جهتجریانقرار می گیرد.[14]
تعدادي از محققین نیز با استفاده از شبیهسازي عددي، الگوي جریان در سرریز جانبی مستطیلی را مورد مطالعه قرار دادند. تدین - - 2009 مدلی سه بعدي با مدل انتقال تنش رینولدز RSM و طرح VOF را براي به دست آوردن دبی جریان، پروفیل سطح آزاد و توزیع سرعت در سرریزجانبی به کار برد.[15] مانگاروکار - 2010 - سرریز جانبی مستطیلی با ارتفاع صفر را به صورت سه بعدي در ANSYS 12 با استفاده از روش VOF و مدل آشفتگی RNG k-ε مدلسازي کرد و نتیجه گرفت که مدل آشفتگی RNG k- ε در پیشبینی محل نقطه اتصال مجدد براي جریان سرریز جانبی ناموفق است.[1]
محمودي نیا و همکاران - 2012 - به بررسی عددي اثر عدد فرود بر سطح آزاد جریان در مقطع سرریز جانبی مستطیلی لبه تیز پرداختند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد فرود، نقطهي ایستایی به سمت بالادست و ناحیهي جدایی به سمت انتهاي پایین دست سرریز جانبی حرکت میکند.[16] مطالعات محدودي هم به صورت آزمایشگاهی در ارتباط با پرش هیدرولیکی در سرریزهاي جانبی انجام شده است.
قبادیان - 1390 - با بررسی آزمایشگاهی جریان عبوري از سرریز جانبی در شرایط وقوع پرش هیدرولیکی مدلی یک بعدي ارائه داد که قادر بود موقعیت پرش، دبی عبوري از سرریز و پروفیل سطح آزاد را محاسبه کند.[17] محمدي و حسین زاده دلیر - - 1392 به بررسی آزمایشگاهی پروفیل سطح آب و ضریب تخلیهسرریز جانبی در شرایط وقوع پرش هیدرولیکی پرداخته و رابطهاي براي تعیین شکل پروفیل سطح آب در امتداد سرریز جانبی ارائه دادند.[18]
بر اساس اطلاعات نویسندگان تاکنون الگوي جریان و سطح آزاد در کانال مستطیلی داراي سرریز جانبی در حالتی که در امتداد سرریز جانبی پرش هیدرولیکی تشکیل شده باشد، به صورت عددي مورد بررسی قرار نگرفته است. در تحقیق حاضر با استفاده از نرم افزار FLOW-3D الگوي جریان سه بعدي و سطح آزاد در کانال مستطیلی داراي سرریز جانبی در شرایط تشکیل پرش هیدرولیکی در امتداد سرریز جانبی شبیهسازي و مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مواد و روشها
2-1 معادلات حاکم
یکی از مهمترین و جدیدترین نرمافزارهاي شبیهسازي عددي جریان بر روي سازههاي هیدرولیکی نرم افزار FLOW-3D میباشد. نرم افزار FLOW-3D یک نرم افزار در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی 1 - CFD - می باشد که قابلیت شبیه-سازي جریان سیال را بر روي سطوح آزاد2دارد. این بسته نرم افزاري از تکنیکهاي عددي پیشرفتهاي براي حل معادلات سه بعدي حرکت سیال براي مسائل چند فازي استفاده میکند. معادلات حاکم بر جریان شامل معادله پیوستگی و معادلات متوسطگیري شده ناویر - استوکس براي سیال غیرقابل تراکم بصورت زیر میباشند.
