مدل سازی عددی و آزمایشگاهی جریان در چاهک آدم رو با شیب شکن در شبکه جمع آوری رواناب سطحی
چکیده
امروزه افزایش سطوح نفوذناپذیر حوزه های آبریز که ناشی از گسترش شهرسازی واحداث انواع ساختمان ها برروی خاک های غالباً نفوذپذیر حوزه است، بر حجم و شدت رواناب افزوده است. درنتیجه، سیستم های زه کشی موجود جهت کنترل سیلاب ناکافی است و لازم است در طراحی آن ها بازنگری شود. در سیستمهای زه کشی رواناب شهری، کانال های آب باید دارای شیب کمی باشند تا جریان با سرعتی محدود حرکت کند. سرعت بالا در کانال، باعث فرسایش و تخریب آن خواهد شد. درصورت نیاز به کاهش تراز کانال از چاهک آدم رو با شیب شکن استفاده می شود که علاوه بر کاهش تراز جریان، انرژی آن را نیز کاهش می دهد. هدف این پایان‌نامه بررسی عملکرد نوع جدیدی از چاهک آدمرو با شیبشکن جهت کاهش انرژی جریان عبوری، کاهش ابعاد آن و افزایش دبی است. طرح جدیدی که بدین منظور پیشنهاد می شود، از ترکیب چاهک آدم رو با شیبشکن قایم و سازه ی خروجی لوله ی تشکیل شده است. برای دستیابی به این هدف، نمونه ی آزمایشگاهی این سازه ی هیدرولیکی در آزمایشگاه ساخته شد. این مدل از یک لوله ی دایره ای در بالادست با قطر 19/0 و طول 2 متر و یک کانال مستطیلی با طول 5/2 متر در پایین دست شیب شکنی به ارتفاع 345/0 متر تشکیل شده بود. همچنین یک دیوار آویزان با قابلیت حرکت قائم و افقی در طول کانال ساخته شد. برای ایجاد جریان سطح آزاد از یک وسیله به نام جعبه جت و با بازشدگی اسمی 50 و 80 درصد استفاده شد. دبی در آزمایش ها از 10 تا 38 لیتر بر ثانیه و عدد فرود هم از 1 تا 4 تغییر می کرد. در ابتدا الگوهای پایه ی جریان و سایر پارامتر های هیدرولیکی بررسی شد. همزمان، با استفاده از نرمافزار openfoam مدل ساخته شده در آزمایشگاه به صورت عددی شبیه سازی شد. سازه ی خروجی لوله از دو جز ء اساسی به نام دیوار آویزان و پله ی انتهایی تشکیل شده است که در این تحقیق جهت بررسی عملکرد دیوار آویزان به تنهایی و جلوگیری ازایجاد پرش هیدرولیکی از پله استفاده نشد. نخست آزمایش ها بر روی مدل بدون دیوار آویزان انجام شد و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی موجود در زمینه ی شیب شکن های قایم مستطیلی مقایسه شد. در مرحله ی دوم آزمایش ها، مدل چاهک آدم رو با دیوار آویزان بررسی شد. در حالت بدون دیوار آویزان نتایج نشان می دهد، بازده استهلاک انرژی در این سازه حدود 40 تا 80 درصد است و به طور کلی حدود 50 درصد بیشتر از شیب شکن های معمولی است. علاوه بر افت انرژی، متغیرهای دیگری همچون عمق و طول گرداب، غلظت هوا و عمق پایین دست نیز اندازه گیری و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شد. در مرحله ی دوم، با درنظر گرفتن دیوار آویزان، ابتدا رژیم های جریان با تعریف پارامتر تأثیر طبقه بندی شدند. چهار نوع رژیم در حالت کلی شناسایی شد که محل برخورد جت آب، میزان بازشدگی دیوار آویزان و عمق حوضچه تعیین کننده ی رژیم حاکم بود. نتایج نشان می دهد از لحاظ افت انرژی، این مدل هم سطح با مدل بدون دیوار آویزان و بازده آن در حدود 50 تا 80 درصد است. در این تحقیق همچنین با استفاده از معادلات اندازه حرکت، رابطه ای نیمه تحلیلی برای یافتن عمق حوضچه ارایه شد که همخوانی خوبی با داده های آزمایشگاهی داشت. با بررسی ضریب انقباض و تخلیه ی این مدل مشخص شد که این سیستم نسبت به دریچه های معمولی دبی کمتری را عبور می دهد. نتایج شبیه سازی عددی نیز نشان می داد که نرم افزار openfoam قابلیت تخمین مناسب متغیرهای هیدرولیکی اندازه گیری شده را دارد.