مدل‌سازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي در پايين‌دست جريان ترکيبي همزمان از روي سرريز و زير دريچه

توضیحات

مدل‌سازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي در پايين‌دست جريان ترکيبي همزمان از روي سرريز و زير دريچه
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
در سازه‌های ترکیبی سرریز¬-¬ دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیه‌سازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازه‌ها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیه‌سازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پایین¬دست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرم¬افزار Flow3D است. نرم-افزارFlow3D یک نرم¬افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار مي‌گیرد. این مدل برای شبیه سازی جریان¬های سطح آزاد سه¬بعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدل¬سازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحت¬سنجی این نرم¬افزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازه¬های ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیه¬سازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیه¬سازی آبشستگی جریان از مدل¬های مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با انتگرال¬گیری¬های پروفیل¬های سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه (H_1/W) و هد آب روی سرریز به طول سازه (H_d/T) گردید. مقایسه نتایج مدل¬سازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان می¬دهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیه-سازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.
کلمات کلیدی: جریان ترکیبی، سرریز- دریچه، آبشستگی، مدل‌سازی عددی، Flow3D.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1 مقدمه 2
1-2 تعاریف 3
1-2-1 سرریزها 3
1-2-2 دریچه¬ها 3
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه 4
1-2-4 آبشستگی 6
1-3 ضرورت انجام تحقیق 9
1-4 اهداف تحقیق 9
1- 5 ساختار کلی پایان¬نامه 10
فصل دوم: بررسی منابع
2-1 مقدمه 12
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان 12
2-2 مطالعات عددی با نرم¬افزار Flow3D 16
فصل سوم: مواد و روش¬ها
3-1 مقدمه 22
3-2 نحوه انجام آزمایشات 22
3-2-1 مخزن 23
3-2-2 پمپ 23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی 23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان 24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه 24
3-3 آنالیز ابعادی 25
3-4 شبیه¬سازی عددی 27
3-4-1 معرفی نرم¬افزار Flow3D 28
3-4-2 معادلات حاکم 32
3-4-3 مدل¬های آشفتگی 33
3-4-3-1 مدل¬های صفر معادله¬ای 35
3 -4-3-2 مدل¬های یک معادله¬ای 35
3-4-3-3 مدل¬های دو معادله¬ای 36
3-4-3-4 مدل¬های دارای معادله تنش 36
3-4-4 شبیه¬سازی عددی مدل 37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل 38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان 38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال 40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل 41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان 43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل 43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه 46
4-2 شبیه¬سازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب 46
4-2-1 واسنجی نرم¬افزار 46
4-2-1-1 ارزیابی نرم¬افزارپ 48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان 54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیه¬سازی آبشستگی پایین¬دست جریان 59
4-3-1 واسنجی نرم¬افزار 59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرم¬افزار 61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه 70
5-2 نتیجه¬گیری 70
5-3 پیشنهادها 71
منابع 74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدل¬سازی هیدرولیک جریان 25
جدول 3- 2 معرفی نرم¬افزار Flow3D 28
ادامه جدول 3-2 29
جدول 3- 3 محدوده داده¬های به کار رفته جهت شبیه¬سازی آبشستگی 38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرم¬افزار 40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرم¬افزار 41
جدول 3- 6 مدل¬سازی¬های انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب 42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1) 51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدل¬سازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبی¬ها 55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی 60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی 60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی 61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی 61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیه¬سازی حفره آبشستگی 61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4) 65
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوری همزمان از روي سرريز و زير دريچه 5
شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پایین¬دست برخی از سازه¬های هیدرولیکی 8
شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی 12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی 12
شکل 2- 3 نمایی از مدل¬های آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386) 14
شکل 2- 4 مدل شبيه¬سازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اویماز، 1987) 14
شکل 2- 5 فرآيند پر و خالي شدن حفره آبشستگي درحين برخي از آزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک 23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک 24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان 25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب 26
شکل 3- 5 مدل¬سازی پرش هیدرولیکی 30
شکل 3- 6 مدل¬سازی جریان در قوس رودخانه 30
شکل 3- 7 مدل¬سازی جریان عبوری از زیر دریچه 30
شکل 3- 8 مدل¬سازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض 31
شکل 3- 9 مدل¬سازی آبشستگی پایین¬دست سازه 31
شکل 3- 10 مش¬بندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک 39
شکل 3- 11 مش¬بندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ 40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدل¬سازی حالت بستر صلب 40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدل¬سازی حالت بستر رسوب 41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدل¬سازی هیدرولیک جریان 43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدل¬سازی حفره آبشستگی 43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکه¬بندی¬های مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی 46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و داده¬های آزمایشگاهی 47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با داده¬های آزمایشگاهی 49
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه 49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بی¬بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg) 51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبی¬های نرم¬افزار و مشاهداتی 52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبی¬ها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه 52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε 53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε 53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه 54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه 54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی 54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی 55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباض¬های جانبی مختلف سازه رکیبی 56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباض¬های جانبی مختلف سازه ترکیبی 56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیه¬سازی حفره آبشستگی با استفاده از مدل¬های مختلف آشفتگی 59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرم¬افزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی 62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرم¬افزار برای حداکثر عمق آبشستگی 62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک 63
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بی¬بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب 64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبی¬های نرم¬افزار و مشاهداتی 65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی 66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان) 66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پایین¬دست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه 67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بی¬بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب 67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبی¬های عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی 68
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
يكي از عمده‌ترين مشكلات سازه‌هايي از قبيل سرريزها، دريچه‌ها و حوضچه‌هاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايش‌پذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوه¬‌بر تأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و در نتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. به دليل پيچيدگي موضوع، اكثر محققين آن را به صورت آزمايشگاهي بررسي كرده-اند كه با وجود تمام دست¬آوردهاي مهمي كه تاكنون در زمينه آبشستگي موضعي حاصل گرديده است، هنوز هم شواهد زيادي از آبشستگي گسترده در پاياب دريچه‌ها، سرريزها، شيب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پايه‌هاي پل ديده مي‌شود كه مي‌تواند پايداري اين سازه¬ها را با خطرات جدي مواجه كند.
پديده آبشستگي زماني اتفاق مي‌افتد كه تنش برشي جريان آب عبوري از آبراهه، از ميزان بحراني شروع حركت ذرات بستر بيشتر شود. تحقيقات نشان داده است كه عوامل بسيار زيادي بر آبشستگي در پايين‌دست سازه تأثيرگذار هستند كه از جمله آن¬ها مي‌توان به اندازه و دانه‌بندي رسوبات، عمق پاياب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره كرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچه¬ها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانال¬هاي باز مورد استفاده قرار می¬گیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوري از رو یا زیر سازه¬ها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پایین¬دست سازه¬ها وجود دارد که ممکن است پایداري سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازه¬های پرکاربرد سرریزها و دریچه¬ها، می‌توان آن¬ها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف
1-2-1 سرریزها
یکی از سازه¬های مهم هر سد را سرریزها تشکیل می¬دهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازه¬گیری دبی جریان در کانال¬ها¬ مورد¬استفاده قرار می¬گیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام می¬دهند، باید سازه¬ای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهره¬برداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرريزها را بر حسب مهم¬ترين مشخصه آن¬ها تقسيم¬بندي مي¬كنند. اين مشخصه مي¬تواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخليه باشد. بر حسب اين¬كه سرريز مجهز به دريچه و يا فاقد آن باشد به ترتيب با نام سرريزهاي كنترل¬دار و يا سرريزهاي بدون كنترل شناخته مي¬شوند.
1-2-2 دریچه¬ها
دریچه¬ها سازه¬هایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته می¬شوند. از دريچه¬ها به منظور قطع و وصل و يا كنترل جريان در مجاري عبور آب استفاده می¬شود و از لحاظ ساختمان به گونه¬اي مي¬باشند كه در حالت بازشدگي كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسير جريان خارج مي¬گردد.
دريچه¬ها در سدهاي انحرافي و شبکه¬هاي آبياري و زهکشي کاربرد فراوان دارند. همچنين براي تخليه آب مازاد کانال¬ها، مخازن و پشت سدها به کار مي¬روند (نواک و همکاران، 2004).