شبیه سازی عددی پرش هیدرولیکی در مقاطع مستطیلی واگرا
چکیده
با توجه به اهمیت حوضچه های آرامش در استهلاک انرژی جریان و عملکرد مناسب حوضچه های مستطیلی واگرا از نظر ابعاد و هزینه ساخت کمتر، امکان سنجی آن با استفاده از روش های عددی بسیار ارزشمند خواهد بود. در این تحقیق قابلیت مدل سازی عددی پرش هیدرولیکی در حوضچه مستطیلی واگرا به صورت سه بعدی و با بکارگیری مدل های آشفتگی k-? استاندارد و rng، با استفاده از نرم افزار fluent مورد بررسی قرار گرفت. سطح آزاد جریان با مدل حجم سیال (vof) تعیین شد. صحت سنجی با مقایسه نتایج شبیه سازی و مدل فیزیکی پرش هیدرولیکی در مقاطع مستطیلی واگرا با زاویه های واگرایی 5 و 10 درجه انجام گرفت. نتایج صحت سنجی نشان داد که مدل k-? استاندارد پروفیل سطح آب، طول پرش و مقادیر حداکثر سرعت در مقاطع مورد نظر را بهتر از مدل آشفتگی k-? rng شبیه سازی نموده است. خطای نسبی متوسط مقادیر سطح آب بدست آمده از مدل عددی و مقادیر اندازه گیری شده حدوداً 7 درصد می باشد. طول پرش در مدل ها نیز با دقت 5 درصد برآورد شده است. پروفیل های سرعت نیز تطابق خوبی با داده های اندازه گیری شده داشتند. مدل عددی گرداب های ایجاد شده در نتیجه واگرایی دیواره ها را به خوبی بررسی های تجربی نشان داده است. این گرداب ها در اعداد فرود بالا در یک سمت دیواره تشکیل شده و به سمت دیگر کشیده می شوند ولی در اعداد فرود پایین تر در دو طرف دیواره های واگرا ایجاد می شوند. شدت تشکیل این گرداب ها با افزایش زاویه واگرایی دیواره ها بیشتر می شود. مطالعه پارامترهای تلاطم نشان داد که با فاصله گرفتن از پرش به سمت پایین دست مقدار این پارامترها کاهش یافته و تغییرات آن یکنواخت تر می شود و در انتهای پرش به مقدار ثابتی میل می کند. در مدل های با اعداد فرود بالا، مقادیر پارامترهای تلاطم در دیواره سمت راست بیشتر از سمت دیگر است. در اعداد فرود کمتر، تغییرات متقارن تر بوده و حداکثر مقادیر پارامترها در قسمت میانی کانال رخ می دهد. بررسی تأثیر واگرایی دیواره ها در توزیع پارامترهای تلاطم نشان داد که مقدار ماکزیمم این پارامترها در اعداد فرود بالا به سمت دیواره راست که گرداب ها شکل گرفته اند کشیده شده است. تغییرات پارامترهای تلاطم در امتداد محور مرکزی متقارن نیست و این باعث می شود تا اختلاف مقادیر حداکثر در امتداد محور مرکزی کانال نسبت به مقدار واقعی در کل محدوده بیشتر گردد. با کاهش عدد فرود، به دلیل تشکیل گرداب ها در قسمت میانی کانال، تمرکز این مقادیر در مرکز کانال افزایش یافته و تقارن بیشتری نسبت به پرش در اعداد فرود بالاتر می یابند. در این حالت، اختلاف بین مقادیر ماکزیمم در طول محور مرکزی کانال و کل محدوده کمتر می شود.