مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان آشفته حول آبشکن با شکل های مختلف دماغه
چکیده
در این تحقیق هیدرودینامیک سه بعدی حول تک آبشکن با شکل های مختلف دماغه، بصورت آزمایشگاهی و در یک کانال با بستر صلب و تخت مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیق انجام شده در دو بخش می باشد: در بخش اول با استفاده از سرعت سنج نقطه ای سه بعدی adv و ترکیب ابزارهای دو لوله ای و سه لوله ای، به ترتیب میدان جریان آشفته و تنش برشی بستر حول آبشکن های مستقیم، tشکل وl شکل برداشت شده و مشخصات متوسط و آشفته میدان مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش های انجام شده در این بخش، در حالت جریان عمیق بوده و در آزمایشگاه مطالعات آشفتگی کانال باز دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است. در بخش دوم تحقیق که طی فرصت مطالعاتی در آزمایشگاه سیالات انستیتیوی هیدرومکانیک دانشگاه کارلسروهه آلمان انجام شده است، به اندازه گیری یکپارچه میدان و مطالعه ساختارهای مکانی و زمانی جریانهای آشفته حول تک آبشکن مستقیم در حالت جریان کم عمق با استفاده از روش سرعت سنجی تصویری سطحی پرداخته شده است. در این بخش از تحقیق، هدف اصلی مطالعه ساختار coherent flow سطحی بوده و نقش آنها در روند تغییرات لایه برشی و پدیده های مربوط به آن بررسی شده است. نتایج حاصل از بخش اول نشان می دهد که ساختار جریانهای متوسط و آشفته حول آبشکن های مستقیم و غیر مستقیم کاملاً متفاوت می باشد. بطوریکه در ناحیه بالادست آبشکن مستقیم، شکل گیری و توسعه گردابه های نعل اسبی به سمت دماغه و پائین دست آبشکن، جریان حول سازه و همچنین توزیع تنش برشی بستر را کاملاً تحت تاثیر قرار می دهد. در حالیکه افزودن باله به آبشکن مستقیم ضمن کنترل شکل گیری گردابه نعل اسبی و حتی حذف نسبی آن، ضمن حفاظت سازه آبشکن در مقابل جریان پر سرعت، توزیع تنش برشی بستر را نیز کاملاً تحت تاثیر قرار می دهد. توزیع تنش برشی بستر حول آبشکن مستقیم، نشانگر تشدید تنش حول دماغه آبشکن و توسعه ناحیه پر تنش به سمت پائین دست، منطبق بر مسیر وقوع گردابه نعل اسبی و مماس بر بخش بیرونی لایه برشی می باشد، در حالیکه در آبشکن tشکل، ضمن دور شدن ناحیه پر تنش از دماغه بالادست، از تمرکز تنش کاسته شده و علاوه بر آن، توزیع تنش در ناحیه پائین دست آبشکن نیز به مراتب یکنواخت تر از آبشکن مستقیم می باشد. در قسمت هایی از میدان که انرژی جنبشی آشفتگی حداکثر مقدار را داراست، انرژی جنبشی جریان متوسط حداقل بوده و برعکس. روش برونیابی خطی تنش های رینولدز برای تعیین تنش برشی بستر حول آبشکن بحث شده و نشان داده شده است که استفاده از این روش در بخش های مهمی از میدان از جمله محدوده لایه برشی بواسطه غیر خطی بودن توزیع قائم تنش های رینولدز نادرست بوده و منجر به پیش بینی نا صحیح تنش برشی بستر می شود. بررسی ساختار جریان در بخش دوم تحقیق نشان از شکل گیری دو ناحیه چرخشی مجزا در پشت آبشکن دارد بطوریکه علاوه بر گردابه اصلی، یک ناحیه چرخشی ثانویه نیز تشکیل می شود. اندرکنش جریانهای چرخشی مزبور باعث ایجاد پدیده پرش در ابعاد گردابه ای بزرگ مقیاس سطحی و همچنین افزایش ناگهانی عرض لایه برشی می شود.
