بررسی آزمایشگاهی و عددی میدان جریان اطراف سرریز- دریچه نیم استوانه ای
چکیده
کاربرد سازه استوانه¬ای و نیم¬استوانه¬ای نسبت به سازه¬هایی با اشکال دیگر (مثلثی، مستطیلی و...) دارای مزایایی چون هزینه کم، طراحی آسان، سهولت ساخت و ضریب دبی بالاتر می¬باشد. سرریز- دریچه نیم¬استوانه¬ای یکی از سازه¬های کنترل و تنظیم سطح آب بوده که به علت تداخل جریان عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه، سبب پیچیده شدن رفتار جریان اطراف خود می¬گردد، از طرفی شناخت رفتار جریان در بالادست و پایین¬دست سازه می¬تواند نقش بسزایی در طراحی صحیح و اصولی آن ایفا نماید. استفاده از مدل¬های عددی در شبیه¬سازی جریان دارای مزایایی چون، سرعت اجرای بالا، اقتصادی بودن و عدم نیاز به مکان فیزیکی برای اجرا، نسبت به مدل¬های آزمایشگاهی می¬باشد. لذا تحقیق حاضر به بررسی آزمایشگاهی و عددی میدان جریان اطراف سرریز- دریچه نیم¬استوانه¬ای، متمرکز شده است. در این مطالعه پارامترهای اصلی تاثیر گذار بر ضریب دبی جریان عبوری به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. به علاوه افت انرژی جریان عبوری نیز به کمیت در آمده است. پارامترهای تاثیرگذار بر سیستم مورد مطالعه در قالب شناسه¬های بدون بعد با استفاده از تئوری پای باکینگهام به دست آمده است. آزمایش¬ها در یک کانال آزمایشگاهی مستطیلی به طول 8 متر، عرض 0/282 متر و عمق 0/3 متر بر بستر صاف در آزمایشگاه پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، انجام شده¬اند. مدل¬های فیزیکی نیم¬استوانه¬ای از جنس لوله¬های پلاستیکی (pvc) با قطرهای 70، 120 و 160 میلی¬متر مورد استفاده قرار گرفتند. آزمایش¬ها در ارتفاع بازشدگی¬های مختلف بین صفر تا شعاع سازه و در دبی¬های متفاوت صورت گرفته است. نسبت ارتفاع سازه به عرض کانال محدوده 0/57> d/b > 0/25 را پوشش داده است. آزمایش¬ها در شرایط جریان آزاد انجام شده است و جریان ورودی محدوده 0/55 > f_r > 0/012 و 500000 > r_e > 25000 را در برگرفته است. به عبارت دیگر، در آزمایش¬ها جریان ورودی به صورت زیربحرانی- آشفته بوده است. سپس با استفاده از نرم¬افزار فلوئنت جریان اطراف سرریز نیم¬استوانه¬ای شبیه¬سازی گردیده، بدین صورت، که ابتدا مدل¬های مختلف آشفتگی در شبیه¬سازی جریان بررسی شده و سپس بهترین مدل انتخاب و با شبیه¬سازی جریان اطراف سازه و مقایسه داده¬های آزمایشگاهی سرعت و پروفیل سطح آب مدل صحت¬سنجی شده و سپس با استفاده از مدل صحت¬سنجی شده، پروفیل¬های سرعت در بالادست سازه شبیه¬سازی و بررسی گردید. نتایج مطالعه حاضر حاکی از آن است که تغییرات نسبت بازشدگی دریچه به عمق آب بالادست به ضریب دبی جریان عبوری از سازه رابطه عکس داشته، به گونه¬ای که با چرخش سازه حول مرکز، بیشترین ضریب دبی مربوط به زوایه 45 درجه و کمترین مربوط به زاویه صفر درجه می¬باشد. تغییرات نسبت عمق آب بالادست به تصویر سازه با ضریب دبی رابطه مستقیم داشته، به گونه¬ای که بیشترین ضریب دبی مربوط به زاویای 90 و 120 درجه و کمترین ضریب دبی مربوط به زاویه 180 درجه می¬باشد. همچنین مشاهده شده است که ضریب دبی سازه ترکیبی در محدوده 1/6- 0/4 متغیر بوده است. روند تغییرات ضریب دبی در مقابل تغییرات زاویه قرارگیری نشان می¬دهد بیشترین مقدار ضریب دبی مربوط به زوایای 90 و 120 درجه در حالت انحنا به سمت بالادست و 90 و 150 درجه در حالت انحنا به سمت پایین¬دست می¬باشند. همچنین بررسی¬ها نشان می¬دهد بیشترین مقدار برگشت آب مربوط به زاویه 90 درجه و کمترین مقدار مربوط به زاویه صفر و 180 درجه می¬باشند. همچنین مشاهده شده است تغییرات افت انرژی با تغییرات زاویه روند سینوسی دارد، به طوری که کمترین میزان افت در زوایای صفر و 180 درجه ایجاد می¬گردد. بعلاوه نتایج حاصل از شبیه¬سازی، حاکی از آن¬ است که مدل فلوئنت قادر به شبیه¬سازی میدان جریان بالادست سازه با دقت بالایی بوده ولی در شبیه¬سازی جریان پایین¬دست سازه دارای خطای زیادی می¬باشد و مشاهده می¬گردد که با قرارگیری سازه نیم¬استوانه¬ای در مسیر جریان، میدان جریان بالادست تا فاصله¬ای حدود دو برابر قطر سازه تحت تاثیر قرار می¬گیرد.