تحلیل عددی جریان در نزدیکی رمپ هواده سرریز تونلی

توضیحات

تحلیل عددی جریان در نزدیکی رمپ هواده سرریز تونلی
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد
چکیده
در سدهای بلند سرریزها به عنوان یکی از سازه‌های هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیه‌ی سیلاب‌های ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پایین‌دست، به عهده دارند. در سرریزهای تونلی که جریان با سرعت بالا و اغلب تحت فشار برقرار می­باشد، به دلیل زبری جداره بتنی سرریز و وجود درزها و انحنا در مسیر تونل احتمال جدایش جریان از جداره افزایش یافته و در نتیجه وقوع پدیده کاویتاسیون و تخریبات ناشی از آن محتمل می­باشد. محققین تحقیقات زیادی در خصوص چگونگی حذف یا کاهش احتمال وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون و خسارات ناشی از آن در سرریزهای بلند انجام داده­اند و هوادهی جریان را یکی از موثرترین روش­ها جهت پیشگیری از این پدیده بیان نموده­اند. مدل­سازی جریان به صورت عددی در سرریزهای تونلی تحت فشار به همراه سازه هواده و مطالعات مربوط به وضعیت جریان دو فازی آب و هوا در این سرریزها بسیار اندک می­باشد. لذا شناخت و درک بیشتر میدان­های فشار و سرعت جریان در نزدیکی سازه هواده سرریز تونلی تحت فشار و تاثیر هندسه رمپ هواده و درصدهای مختلف هوادهی بر روی جریان به مطالعات بیشتری نیاز دارد.
در این تحقیق جریان عبوری از روی رمپ تعبیه شده در کف داکت تحت فشار به صورت عددی و به کمک نرم­افزار Fluent در حالت دو بعدی و سه بعدی مدل سازی شده است. جهت اعتبار سنجی عملکرد مدل عددی از نتایج آزمایشگاهی مناف­پور (2004) استفاده گردید. جهت مدل کردن توربولانس جریان در حالت بدون هوادهی از مدل توربولانسی انتقال تنش برشی (SST) و در حالت با هوادهی از RNGk-ε در محدوده عدد رینولدز 3.1*104<Re<6.2*104 استفاده شده است. تعیین مشخصه­های هیدرولیکی جریان و تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر روی آن­ها در حالت بدون هوادهی و تاثیر ورود هوا بر روی مشخصه­های هیدرولیکی جریان با توجه به اعداد بدون بعد درگیر در مسائل تحت فشار مورد بررسی قرار گرفته است.
مقایسه نتایج مدل عددی و آزمایشگاهی بیانگر دقت مناسب مدل عددی در پیش­بینی الگوی دو بعدی و سه بعدی جریان یک فازی و دو فازی می­باشد. در حالت بدون هوادهی با افزایش ارتفاع نسبی رمپ (tr/d) و زاویه رمپ (q) به علت افزایش سرعت جت پرتابی آب، طول اتصال مجدد و شدت توربولانسی جریان افزایش و ضریب فشار مینیمم جریان (CP min) واقع در ابتدای ناحیه چرخش پایین­دست رمپ کاهش می­یابد. با ورود هوا به جریان نه تنها ناحیه چرخش جریان آب بلافاصله پایین­دست رمپ با هوای تزریقی پر شده بلکه طول کاویتی تشکیل شده بیشتر از طول ناحیه چرخش جریان در حالت بدون هوادهی می­گردد. همچنین با افزایش درصد هوای ورودی به جریان، افزایش قابل توجهی در ضرایب فشار، مقادیر فشار استاتیک و سرعت جریان دیده می­شود. اما به دلیل کاهش نوسانات سرعت توسط هوای ورودی به جریان از شدت توربولانسی جریان کاسته می­شود.
واژه­های کلیدی: سرریز تونلی، کاویتاسیون، مشخصه­های هیدرولیکی، هوادهی، شبیه سازی عددی
فهرست مطالب
1 مقدمه 3
1-1 مقدمه 3
1-2 بیان مسئله 4
1-3 ضرورت انجام تحقیق 4
1-4 هدف از انجام تحقیق 5
1-5 ساختار پایان نامه 5
2 ادبیات فنی و پیشینه موضوع 7
2-1 مقدمه 7
2-2 تعاریف و اصول اساسی حاکم بر پدیده کاویتاسیون 7
2-2-1 پدیده کاویتاسیون و چگونگی وقوع آن 7
2-2-2 علل وقوع پدیده کاویتاسیون 8
2-2-3 اندیس کاویتاسیون 9
2-3 تاثیرات و خسارات ناشی از کاویتاسیون در سرریزها 10
2-3-1 تاثیرات کاویتاسیون 10
2-3-2 مکانیسم تخریب ناشی از وقوع کاویتاسیون 11
2-4 روش های پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون 12
2-4-1 اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص 13
2-4-2 سرریزهای پلکانی 13
2-4-3 هوادهی 13
2-5 هوادهی جریان 14
2-5-1 تقسیم بندی کلی هوادهی جریان 15
2-5-2 تاثیرات هوادهی جریان در سرریزها 18
2-6 تحقیقات صورت گرفته در رابطه با هوادهی 19
3 مواد و روش ها 40
3-1 مقدمه 40
3-2 معادلات حاکم بر جریان 40
3-3 تهیه مدل عددی 42
3-3-1 مدل و شرایط آزمایشگاهی 42
3-3-2 معرفی نرمافزار Fluent 45
3-3-3 هندسه و شبکه بندی مدل عددی 51
3-3-4 شرایط مرزی و شرایط اولیه 54
3-3-5 تنظیمات نرمافزار 55
3-3-6 تحلیل حساسیت 56
4 نتایج تحلیل عددی جریان – بدون هوادهی 59
4-1 مقدمه 59
4-2 صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی 59
4-2-1 طول اتصال مجدد 59
4-2-2 ضرایب فشار 62
4-2-3 پروفیل های سرعت 64
4-3 تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر روی مشخصه های هیدرولیکی جریان 66
4-3-1 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر روی طول اتصال مجدد 66
4-3-2 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر CP min 68
4-3-3 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی 69
4-4 پروفیل های سرعت جریان عبوری از روی رمپ 70
4-5 پروفیل های توزیع فشار 72
5 نتایج تحلیل عددی جریان – با هوادهی 77
5-1 مقدمه 77
5-2 صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی 77
5-2-1 طول کاویتی 77
5-2-2 ضرایب فشار 79
5-2-3 پروفیل های سرعت 83
5-3 تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر پارامترهای جریان 86
5-3-1 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر طول کاویتی 86
5-3-2 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر CP min 87
5-3-3 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی 88
5-4 تاثیر هوادهی بر مشخصه های جریان 90
5-4-1 طول کاویتی 90
5-4-2 ضریب فشار مینیمم CP min 93
5-4-3 شدت توربولانسی 95
5-4-4 پروفیلهای سرعت 96
5-4-5 پروفیلهای فشار 100
5-5 کارایی مدل های عددی دو بعدی و سه بعدی در شبیه سازی جریان عبوری از روی رمپ 103
5-5-1 حالت بدون هوادهی 103
5-5-2 حالت با هوادهی 104
6 نتیجه گیری و پیشنهادات 106