بررسی عددی سلول های جریان ثانویه، توزیع سرعت و تنش برشی در جریان کانال های ذوزنقه ای
چکیده
کانال های روباز ذوزنقه ای یکی از رایج ترین و بهینه ترین مقاطع مورد استفاده در سیستم های انتقال آب است. جریان عبوری از کانال ها دارای سه مولفه سرعت، یک مولفه در جهت جریان و دو مولفه در جهت عرضی کانال، است. نوسانات سرعت عرضی نسبت به سرعت عمق میانگین، سبب ایجاد آشفتگی می شود. در اثر ناهمگنی این نوسانات، یک سری گردابه های چرخشی در مقطع کانال ایجاد شده که سلول های جریان ثانویه نامیده می شوند. سلول های تولیدی در اثر این نوسانات، سبب ایجاد تنش برشی عرضی در جداره های کانال شده و در نتیجه فرسایش و آبشستگی جداره های کانال مطرح می گردد. از آنجایی که بررسی آزمایشگاهی شرایط جریان در کانال ها هزینه های زمانی و مالی زیادی در برداشته و نیازمند دسترسی به آزمایشگاه های مجهز است، نیاز به بهره گیری از دینامیک سیالات محاسباتی و ابزارهای کمکی نظیر نرم افزارهای محاسباتی وجودخواهدداشت. در تحقیق حاضر، پس از مروری بر دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) با انتخاب نرم افزار ansys cfx، جریان در کانال های ذوزنقه ای مدل سازی گردید. قابلیت cfd در مدل سازی سلول های جریان ثانویه و پارامترهایی نظیر سرعت عمق میانگین و تنش برشی بستر بررسی گردید. با صحت سنجی مدل عددی ساخته شده براساس نتایج آزمایشگاهی تومیناگا و همکاران (1989) توافق خوبی مشاهده گردید. نتایج حاکی از عملکرد بهتر مدل آشفتگی تنش برشی رینولدزssg در مدل سازی سلول های جریان بود. سطح همگرایی به دلیل پایداری نتایج در آن به عنوان سطح همگرایی بهینه انتخاب شد. با افزایش یکنواخت زبری جداره ها، ابعاد و محل قرارگیری سلول ها تغییر یافته، سرعت متوسط عمقی کاهش و تنش برشی مرزی افزایش می یابد. با ایجاد زبری غیریکنواخت تعداد سلول های ایجاد شده در مقطع کاهش می یابد. تغییر در شیب کف کانال تغییری در روند شکل گیری سلول ها ایجاد نمی کند. افزایش در نسبت ابعادی کانال سبب کاهش محسوس در ابعاد سلول های جریان می شود. با افزایش نسبت ابعادی کانال بعد طولی سلول مستقر در گوشه-ی کانال به گونه ای افزایش می یابد که به روی سلول کف کشیده شده و در مولفه های سرعت اثر میرایی ایجاد خواهد کرد.