مدلسازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرمافزار Flow3D
 فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه 1-1 مقدمه........... 2 1-2 تعاریف......... 3 1-2-1 سرریزها........ 3 1-2-2 دریچهها....... 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 پایاننامه.......................... 10 فصل دوم: بررسی منابع 2-1 مقدمه.......................................... 12 2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان....................... 12 2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D................ 16
فصل سوم: مواد و روشها 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 آرامکننده جریان......................... 24 فهرست مطالب عنوان صفحه 3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه................ 24 3-3 آنالیز ابعادی.................................. 25 3-4 شبیهسازی عددی.................................. 27 3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D........................ 28 3-4-2 معادلات حاکم.................................. 32 3-4-3 مدلهای آشفتگی................................ 33 3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای........................ 35 3-4-3-2 مدلهای یک معادلهای........................ 35 3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای......................... 36 3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش.................... 36 3-4-4 شبیهسازی عددی مدل............................ 37 3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل............................ 38 3-4-4-2 شبکهبندی 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 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب......... 46 4-2-1 واسنجی نرمافزار.............................. 46 4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ........................... 48 4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان................................................... 54 فهرست مطالب عنوان صفحه 4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان................ 59 4-3-1 واسنجی نرمافزار.............................. 59 4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار..................... 61 فصل پنجم: پیشنهادها 5-1 مقدمه.......................................... 70 5-2 نتیجهگیری...................................... 70 5-3 پیشنهادها...................................... 71 منابع.............................................. 74 فهرست جدول‌ها عنوان صفحه جدول3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان 25 جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D.................... 28 ادامه جدول 3-2..................................... 29 جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی 38 جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار......... 40 جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار......... 41 جدول 3- 6 مدلسازیهای 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 مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها.............................................. 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 آبشستگی61 جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی 61 جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61 جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)... 65 فهرست شکل‌ها عنوان صفحه شکل 1- 1شماتیکیازجریانترکیبی عبوری همزمانازرویسرریزوزیردریچه 5 شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای 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 مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386). 14 شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987) 14 شکل 2- 5 فرآیندپروخالیشدنحفره آبشستگی درحینبرخیازآزمایشات (دهقانی و بشیری، 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 مدلسازی پرش هیدرولیکی. 30 شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه. 30 شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه. 30 شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض 31 شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه. 31 شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک. 39 شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ 40 شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب 40 شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب 41 شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان 43 شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی 43 شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی. 46 شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-εRNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی. 47 شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-εRNG با دادههای آزمایشگاهی 49 فهرست شکل‌ها 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 بیبعد 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 دبیهای نرمافزار و مشاهداتی 52 شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربیبرای 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 انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی. 56 شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای 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 شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی 59 شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی 62 شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی 62 شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک. 63 فهرست شکل‌ها عنوان صفحه شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد 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 دبیهای نرمافزار 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 پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه. 67 شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد 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 دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی. 68 1-1- مقدمه یکی از عمده‌ترین مشکلات سازههایی از قبیل سرریزها، دریچهها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردهاند که با وجود تمام دستآوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچهها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایههای پل دیده میشود که میتواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه کند. پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پاییندست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آنها میتوان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره کرد (کوتی و ین[1] (1976)، بالاچاندار[2] و همکاران (2000)، کلز[3] و همکاران (2001)، لیم و یو[4] (2002)، فروک[5] و همکاران (2006)، دی و سارکار[6] (2006) و ساراتی[7] و همکاران (2008)). دریچههاوسرریزها به طورگستردهبه منظورکنترل،تنظیمجریانوتثبیتکف،در کانالهایبازمورداستفادهقرارمیگیرند.براثرجریانناشیازجتعبوریازرویازیرسازهها،امکان ایجادحفرهآبشستگیدرپاییندستسازههاوجودداردکهممکناستپایداریسازهرا بهخطراندازد؛بنابراین تعیینمشخصاتحفره آبشستگیمورد توجهمحققینهیدرولیک جریانقرار گرفتهاست. به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، میتوان آنها 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.
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد. معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیمبندی میکنند. این مشخصه میتواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب اینکه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترلدار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته میشوند. 1-2-2 دریچهها دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهای میباشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج میگردد. دریچهها در سدهای انحرافی و شبکههای آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک[8] و همکاران، 2004). دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند: بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند. بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود. بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد. بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند. بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند. بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود. 1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه ترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازههای هیدرولیکی میباشد که در سالهای اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان میباشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری میکند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، میتوان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن میگردد اقدام به تعبیه تخلیهکنندههای تحتانی میگردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلابهای محتمل به صورت روگذر نیز عمل میکنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها میباشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازههای هیدرولیکی میباشد. جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچهها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آنها میتوان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی میتواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوبگذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، 2010). همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985). مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل میشود، میتوان با استفاده از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازهگیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، 1385). سیستمسرریز - دریچهامکانعبور جریانرااز پایینو بالاییکمانعافقیدرقسمتمیانیمجرا به طور همزمانفراهم نموده، بدین صورت کهموادقابل رسوبرادر پشتدریچهبه صورتزیرگذروموادشناوررابه صورتروگذرسرریز عبورمیدهد (شکل 1- 1).
جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
