شبيه‌سازي عددي تأثير كاربرد همزمان پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري طبيعي بر خصوصيات پرش هيدروليكي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي آب

كارشناسي ارشد

درصورتي كه رژيم جريان از فوق‌بحراني به زيربحراني تغيير حالت دهد، عمق جريان در مسيري كوتاه به شدت افزايش مي‌يابد. در نهايت به‌دليل آشفتگي در سطح آب افت انرژي محسوس صورت گرفته و از مقدار سرعت نيز به مقدار قابل ملاحظه‌اي كاسته مي‌شود. اين پديده كه به پرش آبي موسوم از نوع جريان‌هاي متغير سريع است كه از ابتدا تا انتهاي آن تلاطم و پيچش سطحي آب وجود دارد و به عنوان پديده اتلاف كننده انرژي شناخته مي‌شود. هرچند مطالعاتي در زمينه پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر روي خصوصيات پرش هيدروليكي وجود دارد، اما مطالعات منتشرشده‌اي در زمينه كاربرد همزمان هر سه مورد مذكور وجود ندارد. لذا در اين پژوهش اثر همزمان پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر بر خصوصيات پرش با استفاده از شبيه‌سازي عددي با نرم‌افزار Flow-3D صورت گرفت. همچنين يك رابطه تحليلي براي محاسبه نسبت اعماق مزدوج به كمك رابطه مومنتوم استخراج شد. در اين پژوهش از مدل‌هاي آشفتگي RNG و k-ε استفاده شد. همچنين، از دو نوع شبكه‌بندي استفاده شد. در شبكه‌بندي نوع اول، در تمام راستاها اندازه سلول‌ها يكنواخت بود. ولي در شبكه‌بندي نوع دوم، در جهت جريان (x) و عمق جريان (z) اندازه سلول‌ها غير يكنواخت در نظر گرفته شد. با توجه به نتايج مدل‌سازي عددي، مدل آشفتگي RNG آشفتگي ميدان جريان را در مقايسه با مدل آشفتگي K-ε با دقت بيشتري محاسبه نمود. ميزان شاخص‌هاي آماري NRMSE، R2 و d براي نتايج شبيه‌سازي عددي نيمرخ سطح آب به ترتيب 1/10، 993/0 و 994/0 به‌دست آمد. همچنين مقدار اين شاخص‌ها براي نتايج شبيه‌‌سازي نيمرخ سرعت به ترتيب 36/16، 944/0 و 97/0 محاسبه شدند. بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه تطابق مناسبي بين نتايج آزمايشگاهي و شبيه‌سازي عددي وجود داشته است. بنابراين نرم‌افزار Flow-3D توانايي خوبي را براي شبيه‌سازي پرش هيدروليكي در شرايط مختلف دارا است. خطاي مدل عددي در محاسبه مقادير نيمرخ سرعت در مقايسه با نيمرخ سطح آب بيشتر بود، كه علت آن را مي‌توان در تلاطم شديد جريان و نوسانات سرعت لحظه‌اي در هر راستاي قائم در محدوده وقوع پرش هيدروليكي و تشديد اختلاط آب و هوا دانست. مقايسه نتايج حاصل از شبيه‌سازي با نتايج آزمايشگاهي پروفيل سطح آب، پروفيل سرعت، نسبت اعماق مزدوج، طول غلتاب و طول پرش هيدروليكي و نسبت افت انرژي نشان دهنده قابليت مدل عددي در شبيه‌سازي سه بعدي ميدان جريان پرش هيدروليكي آزاد مي‌باشد. همچنين نتايج شبيه‌سازي تأثير كاربرد همزمان پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر بر كاهش درصد اعماق ثانويه نشان داد، بيشترين كاهش مربوط به ارتفاع پله منفي ابتدايي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ مي‌باشد كه برابر 19/28٪ بود. به طور متوسط تركيب پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر، 5/32 درصد طول نسبي پرش را كاهش مي‌دهد. كه بيشترين كاهش مربوط به ارتفاع پله منفي ابتدايي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ مي‌باشد. همچنين وجود پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر باعث افزايش افت نسبي انرژي در مقايسه با حالت كلاسيك شده است. افت انرژي در ارتفاع پله منفي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ بيشترين افزايش را داشته و مقدار آن 4/27٪ مي‌باشد.

225901

سازه‌هاي آبي

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان