بررسی تأثیر زاویه اتصال بر الگوی جریان در تقاطع کانال های مستطیلی
چکیده
برخورد دو جریان در کانال ها، پدیده ای است که در رودخانه ها، کانال های آبیاری و زهکشی، سیستم های فاضلاب شهری و... به وفور دیده می شود. در محدوده اتصال کانال ها، رفتار جریان به متغیرهای بیشتری چون هندسه کانال ها، نسبت دبی ها، عرض شاخه و زاویه اتصال دو شاخه از کانال و... بستگی دارد. محل تلاقی کانال ها و رودخانه ها به عنوان ناحیه ای با اغتشاش بالا و حرکت سه بعدی جریان شناخته می شود. در تقاطع کانال ها بدلیل تغییر در مقدار و جهت سرعت، مقدار دبی جریان و دبی رسوب، پدیده هایی چون فرسایش عمیق بستر، فرسایش سواحل و بالاخره رسوب گذاری در پائین دست محل تلاقی بوجود می آید. در این تحقیق با بهره گیری از مدل عددی فلوئنت الگوی جریان دوفازی (آب و هوا) در یک کانال متقاطع مستطیلی مدل سازی شده و تأثیر زاویه اتصال (30، 45، 60 و 90 درجه) به کانال بر الگوی جریان بررسی شده است. بدین منظور از مدل های آشفتگی k-?، k-? و rsm استفاده گردیده و پس از شناخت مدل مناسب به صحت سنجی نتایج مدل عددی و مطالعه پارامتریک اثر زاویه اتصال به کانال بر روی ویژگی های جریان از جمله پروفیل سطح آب و میدان سرعت جریان در کانال پرداخته شده است. به منظور صحت سنجی نتایج عددی، داده های آزمایشگاهی وبر و همکاران (2001) که روی یک کانال مستطیلی با تقاطع 90 درجه و در 6 نسبت دبی انجام شده بکار گرفته شده است. از 6 نسبت دبی مطالعات وبر و همکاران (2001)، نسبت دبی 25/0 به دلیل ایجاد جریان ثانویه قوی تر در پایین دست کانال اصلی انتخاب شده است. نتایج نشان می دهد که دقت مدل های آشفتگی مذکور در پیش بینی میدان جریان در طول کانال مناسب بوده اما مدل rsm در شبیه سازی الگوی جریان از دقت بالاتری برخوردار می باشد و مدل k-? در پیش بینی نواحی برگشتی جریان از دقت خوبی برخوردار نیست. مدل سازی عددی الگوی جریان در زوایای مختلف تقاطع با مدل آشفتگی rsm ضمن پیش بینی مناسب توزیع سرعت در داخل میدان، تغییرات ایجاد شده در سطح آب را نیز به خوبی پیش بینی نمود. نتایج نشان می دهد که با کاهش زاویه اتصال، پروفیل سطح آب بالادست تقاطع روند کاهشی و پروفیل سطح آب پایین دست ناحیه تقاطع روند افزایشی در عمق دارد. اعماق بالادست تقاطع به ترتیب حدود 2، 3/4، 6 و 9 % بالاتر از اعماق پایین دست تقاطع در زوایای 30، 45، 60 و 90 درجه می باشند که با نتایج مطالعات هوانگ و همکاران (2002) همبستگی خوبی نشان داده است. تنها ضعف مدل عددی در پیش بینی پروفیل سطح آب، عدم توانایی در شبیه سازی دقیق نوسانات سطح آب پایین دست تقاطع مشاهده گردید. همچنین نتایج نشان می دهد که علاوه بر ناحیه چرخشی در پایین دست تقاطع، یک ناحیه سکون در گوشه بالادست تقاطع و در داخل کانال اصلی تشکیل می شود که کاهش زاویه اتصال به کانال باعث کاهش ابعاد این نواحی و در نتیجه کاهش اغتشاش جریان در پایین دست و هموارتر شدن خطوط جریان خواهد شد. در تقاطعات 45 و 60 درجه هیچ ناحیه جدایی در بستر کانال مشاهده نگردید و در تقاطع 30 درجه نیز ناحیه جدایی بطور کامل محو شد. در تقاطع 90 درجه ابعاد ناحیه جدایی از سطح به کف کاهش می یابد که از این نظر با نتایج آزمایشگاهی وبر و همکاران (2001) و سایر محققین مطابقت داشت. نتایج حاصله از توزیع تنش برشی نیز نشان داد که علاوه بر فرسایش شدید دیواره روبروی تقاطع در زوایای اتصال بزرگتر، احتمال تشکیل یک چاله فرسایشی نیز در پایین دست دهانه تقاطع وجود دارد. در مجموع نتایج شبیه سازی الگوی جریان و توزیع تنش برشی در زوایای مختلف تقاطع نشان می دهد که به دلیل رشد ناحیه جدایی در زوایای تقاطع بزرگتر و اثرات آن روی انتقال رسوبات و آبشستگی، طراحی با زاویه اتصال کوچکتر به منظور کاهش احتمال آسیب های ناشی از سیل توصیه می شود.