تعداد نشریات | 44 |
تعداد شمارهها | 1,304 |
تعداد مقالات | 15,927 |
تعداد مشاهده مقاله | 52,198,398 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 14,975,537 |
شبیه سازی عددی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
دانش آب و خاک | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
مقاله 20، دوره 23، شماره 2، مرداد 1392، صفحه 283-295 اصل مقاله (356.76 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نویسندگان | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
زهرا شجاعیان* ؛ سید محمود کاشفی پور | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
چکیده | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
وقوع پرشهیدرولیکی در پاییندست سرریز سدها یکی از مهمترین راههای استهلاک انرژی میباشد. در این تحقیق پدیده پرشهیدرولیکی به کمک نرم افزار Flow-3D با استفاده از دو نوع مدل استاندارد و RNG شبیهسازی شد. ابتدا برای پیشبینی دقیق خصوصیات پرشهیدرولیکی، با استفاده از دادههای اندازهگیری شده توسط چانسون و چاچرو در فلوم آزمایشگاهی دو مدل آشفتگی صحتسنجی شدند. بررسی انجام شده نشان داد که نتایج مدل آشفتگی RNG در مقایسه با مدل استاندارد بهتر میباشد. سپس از این مدل برای شبیهسازی پرش هیدرولیکی در مدل فیزیکی حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود استفاده شد. مقادیر محاسبه شده فشار، توزیع سرعت و پروفیل سطح آب با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مقایسه شدند، که انطباق خوبی با هم داشتند. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
کلیدواژهها | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
پرش هیدرولیکی؛ سد مخزنی؛ مدل آشفتگی؛ نرم افزار Flow-3D | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
اصل مقاله | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
شبیهسازی عددی پرش هیدرولیکی درحوضچه آرامش سد مخزنی نمرود
زهرا شجاعیان*1و سید محمود کاشفیپور 2
تاریخ دریافت: 17/10/90 تاریخ پذیرش: 07/09/91 1-دانشجوی دکتری سازههای آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز. 2- استاد گروه سازههای آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز. *مسئول مکاتبه: E-mail:Z.Shojaeian64@gmail.com
چکیده وقوع پرشهیدرولیکی در پاییندست سرریز سدها یکی از مهمترین راههای استهلاک انرژی میباشد. در این تحقیق پدیده پرشهیدرولیکی به کمک نرم افزار Flow-3D با استفاده از دو نوع مدل استاندارد و RNG شبیهسازی شد. ابتدا برای پیشبینی دقیق خصوصیات پرشهیدرولیکی، با استفاده از دادههای اندازهگیری شده توسط چانسون و چاچرو در فلوم آزمایشگاهی دو مدل آشفتگی صحتسنجی شدند. بررسی انجام شده نشان داد که نتایج مدل آشفتگی RNG در مقایسه با مدل استاندارد بهتر میباشد. سپس از این مدل برای شبیهسازی پرش هیدرولیکی در مدل فیزیکی حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود استفاده شد. مقادیر محاسبه شده فشار، توزیع سرعت و پروفیل سطح آب با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مقایسه شدند، که انطباق خوبی با هم داشتند.
واژههای کلیدی: پرش هیدرولیکی، سد مخزنی، مدل آشفتگی، نرم افزار Flow-3D.
Numerical Modeling of Hydraulic Jump in Stilling Basin of Nemrood Reservoir Dam
Z Shojaeian*1 and SM Kashefipour 2
Received: 7 January 2012 Accepted: 27 November 2012 1- Ph.D Student, Dept. of Hydraulic Structures, Univ. of Shahid Chamran, Ahvaz, Iran. 2- Prof., Dept. of Hydraulic Structures, Univ. of Shahid Chamran, Ahvaz, Iran. *Corresponding Author E-mail: Z.Shojaeian64@gmail.com
Abstract One of the most important ways for dissipation of excess energy in downstream of overflow dams is the occurrence of hydraulic jump. In this research the hydraulic jump phenomenon was simulated using the Flow-3D software with two different turbulence models including the standard and RNG models. For this type of phenomenon and most accurate predictions of hydraulic jump characteristics, these two turbulence models were first verified using the data measured in a laboratory flume by Chanson and Chacherau. It was found that the RNG turbulence model performed much better than the standard turbulence model. The model was then applied for simulation of hydraulic jump in the physical model of Nemrood dam stilling basin. The computed pressure, velocity distributions and water surface profiles were compared with the corresponding experimental measured data that matched together successfully.
Key words: Flow-3D software , Hydraulic jump, Reservoir dam, Turbulence model.
مقدمه پرشهیدرولیکی زمانی اتفاق میافتد که جریان در قسمتی از مسیر خود بنا بر شرایط و موقعیت کانال از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی تبدیل شود. در نتیجه عمق جریان در فاصله نسبتاً کوتاهی افزایش قابل ملاحظهای یافته و ضمن کاهش انرژی بهطور محسوس، از میزان سرعت بهاندازه قابل توجهی کاسته میگردد. خاصیت کاهندگی شدید انرژی در این پدیده پژوهشگران را بر آن داشته که از آن بهعنوان بخشی از سیستم استهلاک انرژی در پای سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزهای بندها، تندابها و آبشارها که در آنها جریان از سرعت زیادی برخوردار است، استفاده کنند. تاکنون تحقیقات وسیعی درباره پرشهیدرولیکی و استهلاک انرژی در حوضچه آرامش به صورت آزمایشگاهی و شبیهسازی عددی انجام شده است. این امر به بلانگر (1828) کمک نمود تا فرق بین عمل شیب ملایم و شیب تند را تشخیص دهد. وو و راجاراتنام (1996) به بررسی انتقال جریان از پرش هیدرولیکی به جریان کاملا توسعه یافته کانال باز پرداختند. چانسون و چاچرو (2011) آزمایشهای جدیدی را روی لایه برشی در حال توسعه در پرشهیدرولیکی با جریان ورودی نیمه توسعه یافته انجام دادند. در این آزمایش توزیع غلظت هوا، سرعت متوسط جریان آب – هوا و فرکانس حبابهای هوا در پرشهیدرولیکی اندازهگیری شدند. پروفیل سرعت در این آزمایشها شباهت زیادی به پروفیل سرعت جت مماسی دارد، همچنین رابطه بین میزان هوا و فرکانس حبابهای هوا به شکل سهموی است. اید و راجاراتنام (2002) با در نظر گرفتن زبری بستر، پارامترهای پرشهیدرولیکی را به دست آوردند. طبق نتیجههای بدست آمده، عمق پایاب مورد نیاز برای پرشهیدرولیکی در کف کنگره دار در مقایسه با کف صاف کمتر است و در نتیجه طول پرش در این شرایط کمتر از طول پرش در کف صاف است. مینان و همکاران (2004) مطالعاتی بر روی ویژگیهای آشفتگی پرش هیدرولیکی انجام دادند. طبق نتیجههای بدست آمده حداکثر شدت آشفتگی و تنش های رینولدز با دور شدن از پنجه پرش به طور خطی کاهش پیدا میکند. اندازه گردابههای تولید شده نیز در انتهای پرش بیشتر میشود. وانگ و لیو (2000) چهار روش از احجام محدود را روی شبکههای مثلثی بیساختار مورد بررسی قرار دادند و مسائلی چون حل دو بعدی آبهای کم عمق، شکست سد به صورت دو بعدی، پرش هیدرولیکی مایل، با این چهار روش، حل شدند و نتیجههای حل عددی، سرعت محاسبات و پایداری روشهای حل، با یکدیگر مقایسه شدند. اونامی و همکاران (2000) به بررسی تخمین ضرایب انتقال و پخشیدگی جریان هوادهی شده در پرش هیدرولیکی بر مبنای مسائل کنترل بهینه پرداختند. یو و همکاران (2000) به مطالعه ویژگیهای میدان جریان در اطراف سد سویانگ، به صورت عددی پرداختند. در این شبیهسازی از نرم افزارFlow-3D ، برای حل عددی معادلههای ناویر- استوکس در محیط محاسباتی استفاده شد. مقدارهای محاسباتی شامل فشار، مولفههای سرعت، نرخ جریان و تراز سطح آب هستند که با اندازهگیریهای آزمایشگاهی موجود مقایسه شدند. میسرا و زو (2004) پرشهیدرولیکی آشفته را با روش های عددی شبیهسازی کردند. نتیجههای مربوط به سرعت افقی با اندازهگیریهای تجربی مقایسه شدند. گونزالس و بمباردلی (2005) با استفاده از مدلهای آشفتگی ، RNG و گردابههای بزرگ (LES)[1] پرشهیدرولیکی روی یک بستر هموار را شبیهسازی کردند. در این تحقیق پدیده پرشهیدرولیکی به کمک نرم افزار Flow-3D با استفاده از دو نوع مدل آشفتگی و RNG شبیهسازی شد. هدف از این تحقیق کاربرد نرم افزار Flow-3D در شبیهسازی پارامترهای جریان در حوضچه آرامش میباشد که برای این منظور از مدل فیزیکی سرریز و حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود استفاده شد.
مواد و روش ها تئوری جریان در پرش هیدرولیکی نظر به اینکه پرشهیدرولیکی تغییر جریان از حالت فوق بحرانی به زیربحرانی میباشد لذا برای شبیهسازی این پدیده باید هر دو حالت فوق بحرانی و زیربحرانی را بررسی کرد. نوسانات و تداخل آب و هوا در پرشهیدرولیکی سبب شده که توزیع فشار در حوضچه آرامش هیدرواستاتیک نباشد و باعث افت انرژی زیادی گردد(شکل 1). منظور از افت انرژی، انرژی جنبشی آشفتگی و کار انجام شده به وسیله تنشهای رینولدز است.
شکل 1- تشکیل پرش هیدرولیکی در پایین دست دریچه. مدلعددی جهت شبیهسازی عددی معادلات حاکم بر این جریانها از یک نرم افزار موجود بنام Flow-3D استفاده شدهاست . این نرم افزار توانائی محاسباتی بالائی در جریانهای کانال باز است. نرم افزار Flow-3Dمعادلات حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریبهای حجم محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد. یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند به جز سرعت که در مرکز وجوه سلول محاسبه میشود. در این نرم افزار از دو تکنیک عددی برای شبیهسازی هندسی استفاده شده است. 1- روش حجم سیال (VOF) این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد. 2- روش کسر مساحت - حجم مانع (FAVOR) این روش برای شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی کاربرد دارد.
معادلاتحاکمبرجریاندرنرمافزارFlow-3D معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادله پیوستگی، معادله مومنتم و معادله پروفیل سطح آزاد میباشد. الف) معادله بقای جرم یا معادله پیوستگی معادله پیوستگی جریان از قانون بقای جرم و با نوشتن معادله تعادل جرم برای یک المان سیال بهدست میآید. بهصورت کلی این معادله به شکل زیر نوشته میشود:
[1]
که در این معادله مقدار نسبت حجم باز به جریان، دانسیته سیال، به ترتیب مقادیر سرعت در راستای ، به ترتیب مقادیر نسبت مساحت در راستای ، و مربوط به سیستم انتخابی، تابع دیفیوژن و تابع چشمه میباشد. در سیستم مختصات کارتزین (مستطیلی) مقادیر و میشوند. نیزمربوط به محیطهای متخلخل و ورود سیال ثانویه به محیط محاسبات با مقادیر و زمانهای تعیین شده، و یا به عبارتی مسائل با دو نوع سیال، میباشد. تابع دیفیوژن نیز به صورت زیر تعریف میگردد: [2]
در این تابع ضریب ثابت که همان ویسکوزیته سینماتیکی است و برابر با که ضریب دیفیوژن مومنتم یا به عبارتی ویسکوزیته و ضریب مربوط به سیالات با دانسیته غیر یکنواخت است. به دلیل غیر قابل تراکم بودن سیال، مقدار ثابت و یکنواخت بوده و نیز با توجه به استفاده از مختصات کارتزین و غیر متخلخل بودن مسئله، معادله پیوستگی به صورت ذیل کاهش می یابد: [3]
در حالت کلی رابطه3 به صورت زیر نوشته میشود: [4] ب) معادلات مومنتم معادلات مومنتم یا حرکت از حل معادلات ناویر- استوکس حاصل میشوند. معادلات ناویر- استوکس با توجه به روشهای استفاده شده در نرم افزار یه صورت زیر میباشند:
که در این روابط شتاب ثقل در جهتهای ، شتاب لزوجتی سیال، مقدار کاهش جریان مربوط به محیطهای متخلخل، سرعت حرکت مرزهای جامد و مربوط به مسائل با مرزهای جامد متحرک، مؤلفههای سرعت سیال در سطح چشمه و مربوط به مسائل با دبی متغیر،نیز ضریب بیان کننده سرعت اولیه جریان میباشند. با توجه به غیر قابل تراکم بودن سیال و نیزغیرمتخلخل بودن مسئله، ثابت بودن مرزهای جامد و انتخاب راستای به عنوان راستای ثقل که در نتیجه تنها شتاب ثقل وارد بر جریان خواهد شد، و استفاده ازمختصات کارتزین، معادلات ناویر- استوکس به صورت ذیل کاهش مییابند:
ج) معادله پروفیل سطح آزاد پروفیل سطح آزاد با استفاده از تابع حجم سیال ، یعنی تخمین زده میشود. این تابع مقدار حجم سیال را در سلول محاسباتی نشان میدهد و به وسیله معادله زیر بیان میشود:
که در این رابطه متوسط نسبت مساحت جریان در جهتهای ، ، و متوسط سرعت در جهتهای ، تابع نسبت سیال که مقادیری بین دارد. اگر باشد، نشان دهنده اشغال کامل فضای سلول شبکهبندی توسط سیال و اگر باشد بیانگرعدم وجود سیال است. شکل 2 مثالی از مقادیر درسلولهای فضای شبکهبندی میباشد.
شکل2- مقادیردرسلولهایشبکهبندی.
صحت سنجی نرم افزار برای شبیه سازی پرش هیدرولیکی ابتدا جهت صحتسنجی، نتایج مولفههای سرعت مربوط به مدلهای آشفتگی استاندارد و RNG در مدل حاضر، با نتایج آزمایشگاهی چانسون و چاچرو (2011) که در دانشگاه کوینسلند[2] استرالیا انجام شده بود، مقایسه شدند. آزمایشات در یک فلوم شیشهای به طول 2/3 متر و عرض 5/0 متر و ارتفاع دیوارههای 45/0 متر انجام شد. برای شبیهسازی، شرایط مرزی بالادست سرعت ثابت و در پاییندست نیز تراز سطح آب در مقطع خروجی (معادل عمق پایاب) اعمال شده است. این آزمایشها برای چهار عدد فرود به شرح جدول 1 انجام شد.
جدول 1- دادههای آزمایشگاهی تحقیق چانسون و چاچرو (2011).
برای شبیهسازی هندسه مدل از نرم افزار GAMBIT ستفاده شد. هندسه مدل کاملاً شبیه مدل آزمایشگاهی ساخته شد. جهت تسریع در حل عددی مدل از ریز کردن شبکه محاسباتی در قسمتهایی که از حساسیت کمتری برخوردار است مانند بعد از حوضچه و در ارتفاعات بالای کانال که جریان آب به آنجا نمیرسد، خودداری شد. این شبکهبندی که پس از اطمینان از صحت نتایج و آزمون استقلال حل عددی از شبکه محاسباتی صورت گرفت، در نهایت دارای34442 گره است.
شرایطمرزی شرایط مرزی اعمال شده در شکل 3 نشان دادهشده است. در شبیهسازی مخزن، سطح بالای آن مرز فشار ورودی[3] در نظر گرفتهشد و فشارهوا در آنجا فشار اتمسفر تنظیم شدهاست. برای دیوارههای مخزن، بستر کانال و همچنین دریچهها شرط مرزی دیواره[4] در نظر گرفتهشد. همچنین شرط مرزی فشار خروجی[5] برای سقف و خروجی کانال در نظر گرفته شد.
شکل3- شرایطمرزیبکاربردهشدهبرایمدل.
در شکلهای 4 تا 7 مقدار سرعت افقی و فشار برای مدل RNG برای چهار عدد فرود ورودی جریان نشان داده شده است. همانگونه که انتظار میرود به علت انحنای شدید خط جریان در ناحیه پرش، توزیع فشار به صورت غیر هیدرواستاتیک است که این مطلب در شکلها به خوبی مشخص است. همچنین سرعت افقی منفی به علت وجود گردابهها در این ناحیه نیز قابل ملاحظه است.
شکل4- مقدار محاسبه شده فشار و سرعت افقی توسط نرم افزار با مدل در و .
شکل5- مقدار محاسبه شده فشار و سرعت افقی توسط نرم افزار با مدل در و .
شکل6- مقدار محاسبه شده فشار و سرعت افقی توسط نرم افزار با مدلدرو
شکل7- مقدار محاسبه شده فشار و سرعت افقی توسط نرم افزار با مدل در و .
در ادامه پروفیل سرعت محاسبه شده با دو مدل و استاندارد در مقایسه با مقدارهای اندازهگیری شده در شکلهای 8 تا 11 ارائه گردیدهاست. پروفیلهای سرعت ایجاد شده در لبه بالایی جریان پراکندگی بیشتری را نشان میدهند که این موضوع بواسطه رفتار غیر دائمی جریان در این ناحیه میباشد. همانطور که از این شکلها مشخص است، مقدارهای پیش بینی شده برای پروفیل سرعت توسط مدل اشفتگی نسبت به مدل آشفتگی استاندارد بهتر میباشد. نرم افزار با بالا رفتن عدد فرود ورودی توانسته است پیشبینی بهتری داشته باشد.
شکل8- مقایسه پروفیل سرعت محاسیه شده با دو مدل و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله15/0 متر از پنجه پرش و .
شکل9- مقایسه پروفیل سرعت محاسیه شده با دو مدل و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله 15/0 متر از پنجه پرش و .
شکل10- مقایسه پروفیل سرعت محاسیه شده با دو مدل و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله 15/0 متر از پنجه پرش و .
شکل11- مقایسه پروفیل سرعت محاسیه شده با دو مدل و مقادیر اندازه گیری شده در فاصله 15/0 متر از پنجه پرش و .
شبیهسازی مدل آزمایشگاهی سد نمرود به منظور کاربرد نرم افزار از نتایج مدل فیزیکی سرریز و حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود استفاده شد. این مدل در آزمایشگاه مدلهای هیدرولیکی مؤسسه تحقیقات آب وزارت نیرو با استفاده از مصالح پلکسی گلاس ساخته و نصب گردید. سد مخزنی نمرود بر روی رودخانه نمرود واقع شدهاست. این رودخانه دارای حوزه آبریز حدود 561 کیلومتر مربع بوده و در جنوب جاده تهران فیروزکوه و در نزدیکی روستای خمده تغییر جهت داده و به سوی جنوب باختری میرود. این رود به رودخانه فیروزکوه پیوسته و به اسم حبله رود به سوی گرمسار حرکت کرده و دشت گرمسار را آبیاری میکند. شهر فیروزکوه در 18 کیلومتری محل طرح نزدیکترین شهر به محل سد است. اطلاعات مورد نیاز برای شبیهسازی مدل آزمایشگاهی سرریز سد نمرود از منابع منتشرشده تهیه گردیده است (کمایی رستمی 1388). این اطلاعات عبارتند از پروفیل طولی از مقاطع سرریز و حوضچه آرامش سد، اطلاعات هیدرولوژیکی شامل ظرفیت عبوردهی رودخانه، حداکثر دبیهای 10000 ساله و PMF و تراز سطح آب در مخزن در هر کدام از سیلابهای ذکر شده و نقشههای پلان و پروفیل و جزئیات سرریز و حوضچه آرامش سد نمرود (شکل 12) میباشند. در ضمن مدل آزمایشگاهی آن با نسبت 1:40 اجرا شده است. لازم به ذکر است که شبیهسازی برای سیلابهای 10000 ساله و PMF انجام شده و شرایط مرزی بالادست در جدول 2 ارائه شده است. برای توضیحات بیشتر به مرجع کمایی رستمی (1388) مراجعه شود.
جدول 2- شرایط مرزی بالادست حوضچهآرامش.
شرایط لازم برای شبیه سازی توسط مدل Flow-3D برای شبیهسازی سه بعدی سرریز و حوضچه آرامش از یک شبکه سه بعدی استفاده شد. با توجه به استفاده نرم افزار Flow-3D از روش FAVOR برای مدلسازی موانع و برای در نظر گرفتن بلوکهای حوضچه به وسیله نرم افزار، ناگزیر میبایست از یک شبکه با دقت کافی استفاده کرد. برای ساخت هندسه مدل از نرم افزار GAMBIاستفاده شد. از آنجایی که از یک شبکه مکعب مستطیلی استفاده میشود و ریز کردن سلولها در یک جهت باعث بروز خطا در انجام محاسبهها میشود، لذا ابعاد سلولها در همه ابعاد بطور یکسان و برابر 03/0 متر در نظر گرفتهشد. شکل 13 شبکهبندی صورت گرفته برای سرریز و حوضچه آرامش توسط نرم افزار GAMBIT را نشان میدهد همچنین پلان و مقطع طولی سرریز و حوضچه آرامش در شکل 12 ارائه شده است.
شکل 12- پلان و مقطع طولی سرریزوحوضچهآرامش.
شکل13- شبکهبندیمحدوده محاسباتی برایسرریز و حوضچهآرامش توسط نرم افزارGAMBIT.
نتایج و بحث با توجه به نتایجی که از مدلسازی پرشهیدرولیکی در بخش قبل حاصل شد، در شبیهسازی جریان در حوضچهآرامش از مدل آشفتگی RNG استفاده شد. در شکل 14 تغییرات عمق جریان نسبت به دبی عبوری از روی سرریز در دو حالت استفاده از دادههای آزمایشگاهی و نتایج حاصل از شبیه سازی نرم افزار Flow-3D مقایسه شدهاست. همانطور که از نمودار مشخص است تراز سطح آب بر روی سرریز تابعی از دبی عبوری میباشد و نرم افزار به خوبی این تغییرات را شبیهسازی کرده است.
شکل14- تغییرات عمق جریان نسبت به دبی عبوری از روی سرریز.
بررسیتغییراتتراز سطح آب در حوضچه آرامش. در بررسی پروفیل سطح آب در پرشهیدرولیکی، در یک عمق پایاب ثابت روند تغییرات عمق برای دو دبی 55/ 100 و 7/47 لیتر بر ثانیه اندازهگیری گردید جریان به صورت فوق بحرانی و با اعداد فرود بالا وارد حوضچه آرامش میشود و در صورت عملکرد مناسب حوضچه، پس از استهلاک انرژی توسط پرشهیدرولیکی با سرعت کمتر و به صورت زیر بحرانی از حوضچه خارج میشود. برای شبیهسازی جریان فوق بحرانی 1 متر از انتهای تنداب نیز در مدل حوضچه شبیهسازی شدهاست. شرایط مرزی بالادست، با اعمال تراز سطح آب و سرعت به نرم افزار معرفی شده است. برای مرز پاییندست نیز فقط تراز پایاب به مدل اعمال میشود. شکلهای 15 و 16 روند تغییرات عمق جریان را در پرشهیدرولیکی برای عمق پایاب ثابت در مدل آزمایشگاهی و نرم افزار برای سیلابهای 10000 ساله و PMF نشان میدهد. همانطور که از روی نمودارها مشخص است، نرم افزار نتایج خوبی را در مقایسه با اندازهگیریها در مدل آزمایشگاهی، پیشبینی کردهاست، بهخصوص تراز سطح آب بعد از پرشهیدرولیکی تطابق خوبی با مقادیر آزمایشگاهی دارد. در منطقه پرشهیدرولیکی، به علت تلاطم و آشفتگی زیاد جریان، مقادیر محاسبه شده اندکی با مقادیر اندازهگیری شده تفاوت دارد ولی این اختلاف در انتهای پرش به علت کاهش تلاطم جریان، کاهش مییابد.
شکل15- تغییراتعمقجریاندر پرش هیدرولیکی ایجاد شده دردبی 55/100 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 74/30.
شکل16- تغییراتعمقجریاندر پرش هیدرولیکی ایجاد شده دردبی 7/47 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 3/24.
بررسیتغییراتفشاردرکفحوضچه آرامش در شکلهای 17 و 18 روند تغییرات فشار در کف حوضچه آرامش در یک عمق پایاب ثابت، توسط نرمافزار شبیه سازی و با مقادیر مدل آزمایشگاهی مقایسه شد. در این اشکال فشار در اطراف موانع ابتدایی و انتهای حوضچه دارای مقدار بالایی است که این پدیده به علت برخورد جریان با این موانع بوجود میآید. لازم به ذکر است که توزیع فشار در حوضچهها به دلیل آشفتگی و انحنای جریان به صورت غیر هیدرواستاتیک است. همانطور که از شکلها مشخص است، نرم افزار نتایج خوبی را در مقایسه با اندازه گیریها ، پیشبینی کرده است.
شکل17- تغییراتفشارکفحوضچه دردبی 55/100 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 74/30.
شکل18- تغییراتفشارکفحوضچه دردبی 7/47 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 3/24.
بررسی تغییراتپروفیل سرعت درحوضچه آرامش شکلهای 19 و 20 تغییرات پروفیل سرعت اندازهگیری شده در آزمایشگاه و پیشبینی شده توسط نرم افزار را در دبیهای مشخص در حوضچه آرامش نشان میدهد. در این مرحله نیز نرم افزار توزیع عمقی سرعت جریان را در مقایسه با اندازه گیریهای آزمایشگاهی به خوبی محاسبه کرده است.
شکل19- مقایسهپروفیل سرعت اندازهگیری و پیشبینی شده درحوضچه دردبی 55/100 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 74/30.
شکل20- مقایسهپروفیل سرعت اندازهگیری و پیشبینی شده درحوضچه دردبی 7/47 لیتر بر ثانیه در عمق پایاب 3/24.
به منظور تعیین میزان متوسط خطای نسبی بین مقادیر محاسبه شده توسط نرم افزار و مقادبر مدل آزمایشگاهی از روشهای آماری که در زیر ارائه شدهاند استفاده گردید:
درصد خطا () که بصورت زیر تعریف میشود:
[12] متوسط مجذور مربعات خطا (RMSE) که به صورت زیر تعریف شده است: [13]
که در این روابط،= تعداد دادها،= مقادیر مشخصه هیدرولیکی اندازهگیری شده در آزمایشگاه و = مقادیر مشخصه هیدرولیکی برآورد شده توسط مدل Flow-3D میباشد. نتایج آماری حاصل از دادههای اندازهگیری شده در آزمایشگاه و محاسبه شده توسط مدل برای مشخصات هیدرولیکی مورد نظر برای دبی 55/100 لیتر بر ثانیه بررسی و نتایج حاصل از آنها در جدول 3 آمده است.
جدول 3- نتایج حاصل از تحلیل آماری مدل برای مشخصات هیدرولیکی مورد نظر برای دبی 55/100 لیتر بر ثانیه
با توجه به جدول مشاهده میگردد که مدل در برآورد تغییرات تراز سطح آب در حوضچه آرامش دارای خطای کمتری نسبت به سایر مشخصات هیدرولیکی میباشد. از طرف دیگر مشاهده میشود که مدل تغییرات پروفیل سرعت در حوضچه آرامش را با مقدار خطای بالاتری نسبت به دو مشخصه دیگر برآورد میکند.
نتیجه گیری کلی در این تحقیق شرایط جریان در حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود به کمک نرم افزار Flow-3D شبیهسازی شد. ابتدا برای صحتسنجی نرمافزار در پیشبینی خصوصیات هیدرولیکی پرش هیدرولیکی از مدل آزمایشگاهی حوضچه آرامش چانسون و چاچرو (2011) استفاده شد و پرشهیدرولیکی با استفاده از دو نوع مدل آشفتگی و RNG شبیهسازی شد. سپس از مدل فیزیکی حوضچه آرامش سد مخزنی نمرود استفاده شد و نتیجههای حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای مدل آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. مقایسه نتایج نشان داد که نرم افزار قادر به پیشبینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی میباشد. مقدارهای محاسباتی شامل توزیع فشار، توزیع عمقی سرعت و پروفیل سطح آب هستند که در مقایسه با اندازهگیریهای آزمایشگاهی از دقت قابل قبولی برخوردارند. نتایج حاصل از شبیهسازی در مقایسه با اندازه گیریهای تجربی دارای انطباق خوبی است. همچنین نرم افزار مقدار فشار، حول موانع موجود در حوضچه را محاسبه کرده است و در مناطقی که انتظار می رود به علت برخورد جریان با این موانع فشار افزایش یابد این مسئله دیده میشود. بنابراین از این نرم افزار برای شبیه سازی جریان در ابعاد واقعی حوضچه میتوان استفاده کرد.
منابع مورد استفاده کمائی رستمی ع، 1388 .بررسی تغییر شکل شوت بلوک و عمق آب پاییندست روی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز. Bélanger, JB, 1828. Essay on Digital Solution Jciuelques Problems Related to Movement Pertmanent Water Current. Carilian-Goeury, Paris, France (in French). Chanson H and Chacherau Y, 2011. Bubbly flow measurements in hydraulic jumps with small inflow Froude Numbers. International Journal of Multiphase Flow, 37(6): 555-564. Ead S and Rajaratnam N, 2002. Hydraulic jumps on corrugated bed. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 128(7) : 656-663. Gonzalez A and Bombardelli F, 2005. Two-Phase flow theory and numerical models for hydraulic jumps, including air entrainment. Pp.28-29. Proceeding of the Congress- International Association for Hydraulic Research. Minnan L, Nallamuthu R and Zhu DZ, 2004. Turbulence structure of hydraulic jumps of low Froude Numbers. Journal of Hydraulic Engineering ASCE130(6): 511-520. Misra SK and Zhao Q, 2004. Numerical study of a turbulent hydraulic jump. 17th ASCE Engineering mechanics Conference, 13-16 June, University of Delaware, Newark, DE. JUNE. Unami K, Kawachi T, Munir B M and Itagaki H, 2000. Estimate of diffusion and convection coefficients in an aerated hydraulic jump. Advances in Water Resources 23(4): 475-481. Wang J and Liu R, 2000. A comparative study of finite volume methods on unstructured mashes for simulation of 2D shallow water wave problems. Mathematics and Computers in Simulation 53(5): 171-184. Wu S and Rajaratnam N, 1996. Transition from hydraulic jump to open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 122(9): 526-528. Yoo M, Chen Y and Zhou Q, 2000. Case study of an s-shape spillway using physical and numerical models. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 132(9): 892-898.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
مراجع | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
کمائی رستمی ع، 1388 .بررسی تغییر شکل شوت بلوک و عمق آب پاییندست روی پرش هیدرولیکی در حوضچه آرامش. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز. Bélanger, JB, 1828. Essay on Digital Solution Jciuelques Problems Related to Movement Pertmanent Water Current. Carilian-Goeury, Paris, France (in French).
Chanson H and Chacherau Y, 2011. Bubbly flow measurements in hydraulic jumps with small inflow Froude Numbers. International Journal of Multiphase Flow, 37(6): 555-564.
Ead S and Rajaratnam N, 2002. Hydraulic jumps on corrugated bed. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 128(7) : 656-663.
Gonzalez A and Bombardelli F, 2005. Two-Phase flow theory and numerical models for hydraulic jumps, including air entrainment. Pp.28-29. Proceeding of the Congress- International Association for Hydraulic Research.
Minnan L, Nallamuthu R and Zhu DZ, 2004. Turbulence structure of hydraulic jumps of low Froude Numbers. Journal of Hydraulic Engineering ASCE130(6): 511-520.
Misra SK and Zhao Q, 2004. Numerical study of a turbulent hydraulic jump. 17th ASCE Engineering mechanics Conference, 13-16 June, University of Delaware, Newark, DE. JUNE.
Unami K, Kawachi T, Munir B M and Itagaki H, 2000. Estimate of diffusion and convection coefficients in an aerated hydraulic jump. Advances in Water Resources 23(4): 475-481.
Wang J and Liu R, 2000. A comparative study of finite volume methods on unstructured mashes for simulation of 2D shallow water wave problems. Mathematics and Computers in Simulation 53(5): 171-184.
Wu S and Rajaratnam N, 1996. Transition from hydraulic jump to open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 122(9): 526-528.
Yoo M, Chen Y and Zhou Q, 2000. Case study of an s-shape spillway using physical and numerical models. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 132(9): 892-898. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 8,059 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 3,099 |