شکل ۲- ۴ مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، ۱۹۸۷)
ایشان برای ۲ نوع دانهبندی و رسوب غیرچسبنده آزمایشات خود را اجرا نمودند. همچنین تمامی آزمایشات یک بار برای دریچه تنها و یک بار در حالت ترکیب دریچه و سرریز انجام دادند. پس از انجام آزمایشات، داده های بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده تا به یک رابطه رگرسیونی خطی لگاریتمی بین پارامترهای عمق آبشستگی با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاییندست برسند. نتایج تحقیق ایشان نشان میدهد که آبشستگی در پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که تنها جریان از زیر دریچه را داریم. همچنین عمق آبشستگی بستگی زیادی به مقدار دبی جریان دارد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
دهقانی و همکاران (۲۰۰۹) به بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق آبشستگی پاییندست سرریز تنها، دریچه تنها و سازه ترکیبی سرریز - دریچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبی که در کار آزمایشگاهی ایشان دیده شده است رفتار نوسانی روند فرسایش و رسوبگذاری به صورت پر و خالی شدن حفره آبشستگی است. حفره آبشستگی ابتدا عمیق می شود، سپس با وجود جریانهای برگشتی کمی رسوبات فرسایش یافته به درون حفره برمیگردد و حفره کمی پر می شود. سپس دوباره حفره توسط گردابههای زیر دریچه عمیق می شود و روند پر و خالی شدن ادامه مییابد (شکل ۲- ۵). البته این روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالی زمان تعادل تقریباً ثابت می شود (دهقانی و همکاران، ۲۰۱۰).
همچنین بررسیهای ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که جریان تنها از روی سرریز عبور می کند و این نتیجه با نتایج کار آقای اویماز (۱۹۸۵) تطابق دارد.
شکل ۲- ۵ فرایند پر و خالی شدن حفره آبشستگی در حین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، ۲۰۱۰)
شهابی و همکاران (۱۳۸۹) به بررسی آزمایشگاهی مشخصات حفره آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی پرداختند. نتایج این بررسی آزمایشگاهی نشان داد که عمق آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه کمتر از عمق آبشستگی پاییندست سرریز میباشد. همچنین مشخصههای حفره آبشستگی، با افزایش عدد فرود (Fr)، افزایش مییابد و در ارتفاع ریزش ثابت برای جت عبوری از روی آن، با افزایش بازشدگی دریچه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. نتایج انجام آزمایشات در حالت وجود انقباض نشان میدهد که با ایجاد انقباض در دریچه یا سرریز به دلیل تمرکز بیشتر جت، حداکثر عمق آبشستگی، طول حفره آبشستگی و طول رسوبگذاری به ترتیب افزایش، افزایش و کاهش مییابد. همچنین نتایج آزمایش بر روی کفبند پاییندست سازه ترکیبی نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بیشتر در نظر گرفته شود، می تواند میزان آبشستگی را تا حد قابل توجهی کاهش دهد.
۲-۲ مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D
نرمافزار Flow3Dتوانایی شبیهسازی عددی الگوی جریان و رسوب در اطراف سازه‌های هیدرولیکی مختلف را دارا میباشد. در ادامه برخی کارهای انجام شده با این نرمافزار بیان می شود:
موسته و اتما[۱۵] (۲۰۰۴)، تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرمافزار Flow3D مورد بررسی قرار دادند.
گونزالز و بومباردلی[۱۶] (۲۰۰۵)، در یک شبیهسازی عددی با بهره گرفتن از Flow3D به بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی بر روی سطح صاف در دو حالت شبکهبندی ریز و شبکهبندی درشت به صورت دوبعدی و سهبعدی پرداختند.
صباغ یزدی و همکارانش (۲۰۰۷)، در یک مدل سهبعدی به ارزیابی مدلهای تلاطمی k-ε و RNGk-ε بر روی میزان ورود هوا در پرش هیدرولیکی با بهره گرفتن از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روی دقت تخمین سرعت متوسط جریان با بهره گرفتن از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود از پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار دادند. مقایسه نتایج نشان داد که نرمافزار قادر به پیش‌بینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی است و همچنین در این آزمون مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسبتری را ارائه کرده است.
امیراصلانی و همکارانش (۱۳۸۷)، به شبیهسازی سهبعدی آبشستگی در پاییندست یک جت ریزشی آزاد با بهره گرفتن از مدل k-ε نرمافزار Flow3D جهت بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی چاله آبشستگی پرداختند. نتایج این پژوهش نشان میدهد هر چقدر زاویه اصطکاک داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد میتوان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد (طول، عرض و عمق) کوچکتری داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پاییندست حفره بیشتر باشد. شیب دیوارهها تندتر بوده و مانعی برای خروج ذرات رسوب از حفره به حساب می آید.
شاهرخی (۱۳۸۷)، با بهره گرفتن از نرمافزارFlow3D ، مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن را تهیه و با اعمال مدلهای مختلف آشفتگی، به تأثیر این مدل‌ها بر طول منطقه جداشدگی جریان در پشت یک آبشکن پرداخت. مهمترین نتیجه حاصل از این تحقیق، نشان میدهد که مدل آشفتگی LES بهترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشته و این مدل، پیش بینی بهتری از طول منطقه جداشدگی در پشت آبشکن ارائه می کند. سرانجام پیشنهاد شد مدل در دامنه وسیعتری از تغییرات پارامترهای جریان، طول و زاویه نصب آبشکن اجرا گردد.
شاملو و جعفری (۱۳۸۷)، به بررسی اثر وجود زبری کف بر روی تغییرات میدان سرعت و فشار جریان در اطراف پایه استوانه‌ای شکل در یک کانال مستطیلی توسط نرمافزارFlow3D و با بهره گرفتن از مدل آشفتگی k-ε به صورت سهبعدی پرداختند. در این شبیهسازی مقاطعی در سه راستای X , Y , Z نزدیکی پایه با نتایج آزمایشگاهی احمد[۱۷] (۱۹۹۴) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که پروفیلهای سرعت در عمقهای مختلف و در راستای X , Y و میدان فشار در پاییندست پایه روند تغییرات قابل قبولی را با توجه به نتایج آزمایشگاه نشان میدهد. همچنین نتیجه شد نرمافزار با در نظر گرفتن زبری کف نتایج بهتری را ارائه می کنند.
باباعلی و همکاران (۱۳۸۷)، توسط نرمافزار Flow3D یک پارشال فلوم به طول یک فوت را که جریان درون آن شامل دو حالت آزاد و مستغرق بود، با بهره گرفتن از مدل آشفتگی LES مدل کردند. ایشان داده های مدل خود را از جدول استاندارد WMM اقتباس کرده و نتایج محاسبه شده را با نتایج این جدول مقایسه نمودند. آنها نشان دادند که Flow3D می تواند به آسانی محاسبات پارشال فلوم را تحت هر دو جریان آزاد و مستغرق انجام دهد. نتایج محاسبه شده به خوبی با دبیهای منتشر شده مطابقت داشته و نیاز به زمان زیاد و استفاده از ابر رایانه ها ندارد.
والش[۱۸] و همکاران (۲۰۰۹)، به شبیهسازی آبشستگی موضعی پایهها در جریان جزر و مدی پرداختند. نتایج نشان داد که نتایج مدلسازی عددی با اندازه گیریهای انجام شده تطابق خوبی داشته و همچنین نشان داد که مدل عددی Flow3D ابزاری مناسب در طراحی جریان در اطراف پایهها در شرایط مختلف جریان است.
شکری و همکاران (۱۳۸۹)، به بررسی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف پایه پل دایروی با نرمافزار Flow3D پرداختند. نتایج بررسی عددی با بررسی آزمایشگاهی انجام شده توسط آنگر و هگر (۲۰۰۶) مقایسه شد و با مقایسه نتایج شبیهسازی عددی و اندازه گیریهای آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییر شکل بستر، نتیجه شد که مدل Flow3D نتایج قابل قبولی ارائه داده است.
حسینی و عبدی‌پور (۱۳۸۹)، با بهره گرفتن از نرمافزار Flow3D به مدلسازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گلآلود پیوسته پرداختند و تأثیر شیب، غلظت و دبی جریان بر آن را مورد مطالعه قرار دادند. برای صحتسنجی نرمافزار در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریانهای گلآلود (پروفیل سرعت)، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازه گیریهای آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. برای مقایسه نتایج از آزمایشات انجام گرفته توسط حسینی و همکاران استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل عددی پروفیل سرعت در بدنه با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشت. نتایج مدل عددی مربوط به پروفیل سرعت با برخی از نتایج آزمایشگاهی مطابقت کمتری داشت که بخش عمدهای از خطاها مربوط به عدم امکان مدلسازی جریان در بخش پایینی در مشبندی به علت کمبود حافظه کامپیوتری و بخشی از خطاها نیز به نحوه مدلسازی جریان گلآلود بود.
برتور و بورنهم[۱۹] (۲۰۱۰)، به مدلسازی فرسایش رسوب در پاییندست سد با نرمافزار Flow3D پرداختند. در بررسی ایشان، برای محاسبه هر یک از ضرایب مشخصه رسوب در نرمافزار Flow3D، فرمولی ارائه و برای هر ضریب محدودهای تعیین شد.
کاهه و همکاران (۲۰۱۰)، مدلهای آشفتگی k-εو RNG k-ε را جهت تخمین پروفیلهای سرعت در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند. نتایج، توانایی مدل RNG k-ε در تخمین عمق ثانویه، طول پرش و توزیع سرعت را به خوبی نشان داد. ضریب تنش برشی برآورد شده توسط مدل عددی به نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی بسیار نزدیک بوده و به طور متوسط ۸ برابر مقدار آن در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح صاف برآورد شد. با توجه به نتایج بدست آمده، مدل آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با مدل k-ε در مدلسازی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار از دقت بالایی برخوردار است.
آخریا[۲۰] و همکاران (۲۰۱۱)، به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف انواع آبشکنها پرداختند. نتایج مدلسازی نشان داد که از بین مدلهای آشفتگی، مدلهای RNG k-ɛ و k-ɛ به داده های آزمایشگاهی نزدیکتر بوده ولی مدل آشفتگی RNG k-ɛ بهترین نتایج را برای شبیهسازی میدان جریان اطراف آبشکن نشان داد.
الیاسی و همکاران (۱۳۹۰)، با بهره گیری از نرمافزار Flow3D و با اعمال مدل آشفتگی RNG k-ɛ، الگوی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار را بدون در نظر گرفتن سطح آزاد شبیهسازی نمودند و به مقایسه نتایج مدل عددی با داده های آزمایشگاهی پرداختند. نتایج این شبیهسازی بدون در نظر گرفتن سطح آزاد، با داده های آزمایشگاهی تطابق خوبی را نشان داد. مقایسه پروفیلهای سرعت در مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی بیانگر مطابقت این داده ها با هم میباشد.
عباسی چناری و همکاران (۱۳۹۰)، الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل را توسط نرمافزار Flow3D و با مدل آشفتگی k-ɛ شبیهسازی نمودند. در این بررسی، آبشکن L شکل نفوذناپذیر بوده که به صورت غیرمستغرق در ۵ زاویه مختلف از قوس رودخانه قرار داده شده است. نتایج حاکی از آن است که تلاطم جریان، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین آبشستگی بستر، در دماغه آبشکن اتفاق میافتد. همچنین با افزایش دبی و عدد فرود جریان، محدوده سرعت ماکزیمم جریان در نزدیکی دماغه آبشکن افزایش مییابد و شکل آن در جهت جریان کشیده می شود. در نهایت نتیجه شد که مدل آشفتگی k-ɛ در شبیهسازی نواحی جریان برگشتی در پاییندست آبشکن و محل ایجاد گردابه و آشفتگی جریان در اطراف آبشکن، دقت خوبی دارد.
قنادان و همکاران (۱۳۹۱)، با نرمافزار Flow3D، به شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن پرداخته و نتایج حاصل از این نرمافزار را با داده های آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج نشان داد که از میان مدلهای تلاطمی موجود در نرمافزار، مدل تلاطمی RNG k–ε از دقت بالاتری برای شبیهسازی جریان از سرریز جانبی برخوردار است. همچنین با بهره گرفتن از مدل واسنجی شده، اثر تغییر ارتفاع و پهنای تاج سرریز بر دبی عبوری از سرریز مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس نتیجه شد که ارتفاع تاج سرریز جانبی لبهپهن بر مقدار دبی خروجی از سرریز نسبت به پهنای تاج مؤثرتر است.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
۳-۱ مقدمه
در این بخش، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه در بستر صلب و شبیهسازی عددی هیدرولیک آن با نرمافزار Flow3D، توانایی مدل عددی Flow3D در شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی ارزیابی می شود. بنابراین در این بخش، علاوه بر بررسی نحوه انجام آزمایشات، به معرفی مدل Flow3D پرداخته و مراحل مدلسازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز و دریچه با نرمافزار Flow3D بیان می شود.
۳-۲ نحوه انجام آزمایشات
در این بخش، به ارائه نحوه انجام آزمایشات هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه پرداخته می شود. در این تحقیق به منظور کالیبراسیون نرمافزار در حالت کف صلب، آزمایشاتی در کانال با طول ۷/۳ متر، عرض ۵/۱۳ سانتیمتر و ارتفاع ۳۰ سانتیمتر انجام شده و عمق جریان در طول کانال قرائت شد. همچنین جهت ارزیابی دقت نرمافزار در حالت کف متحرک از نتایج آزمایشگاهی شهابی(۱۳۸۹) در کانال با طول ۱۲ متر، عرض و ارتفاع ۶۰ سانتیمتر استفاده شده است.
کانال آزمایشگاهی مورد استفاده در کف صلب شامل قسمت های زیر است (شکل ۳-۱):
۱- مخزن
۲- پمپ که شامل بخشهای تأمین برق، الکتروپمپ، شیر تنظیم دبی و مخزن تعیین دبی است.
۳- مخزن آرام کننده جریان
۴- کانال آزمایشگاهی
۵- مدل سازه ترکیبی
شکل زیر نمای کلی مدل فیزیکی را نشان میدهد.
شکل ۳-۱ نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک
بخشهای اصلی کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، به صورت زیر تعریف میشوند:
۳-۲-۱ مخزن
به منظور تأمین آب مورد نیاز جهت انجام آزمایش، از یک مخزن در قسمت پایین فلوم استفاده شده است. به هنگام آزمایش، آب به صورت رفت و برگشتی از مخزن به فلوم و بالعکس در جریان خواهد بود.
۳-۲-۲ پمپ
جهت پمپاژ و جریان آب در فلوم، از پمپی با ظرفیت دبی ۷ لیتر بر ثانیه استفاده شده است که با یک شیرفلکه معمولی، دبی پمپاژ تغییر داده می شود. به منظور قرائت دبی، از یک مخزن دبیسنج استفاده گردیده است.
۳-۲-۳ کانال آزمایشگاهی
کانال آزمایشگاهی دارای طول ۷/۳ متر، عرض ۵/۱۳ سانتیمتر و ارتفاع ۳۰ سانتیمتر میباشد. جنس دیواره و کف کانال از پلکسی گلاس بوده تا امکان مشاهده جریان در کانال در حین آزمایش وجود داشته باشد.
۳-۲-۴ مخزن آرامکننده جریان
این مخزن، آشفتگی جریانی که از پمپ سانتریفوژ وارد کانال خواهد شد را گرفته و جریان را به آرامی وارد کانال آزمایشگاهی می کند.
شکل ۳- ۲ مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک
