3-2 نحوه انجام آزمایشات……………………………………………………………………….. 22

3-2-1 مخزن…………………………………………………………………………………… 23

3-2-2 پمپ……………………………………………………………………………………… 23

3-2-3 کانال آزمایشگاهی……………………………………………………………………….. 23

3-2-4 مخزن آرام کننده جریان……………………………………………………………………. 24

3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز – دریچه………………………………………………………. 24

3-3 آنالیز ابعادی…………………………………………………………………………………. 25

3-4 شبیه­سازی عددی………………………………………………………………………… 27

3-4-1 معرفی نرم­افزار Flow3D…………………………………………………………………..

3-4-2 معادلات حاکم………………………………………………………………………….. 32

3-4-3 مدل­های آشفتگی…………………………………………………………………….. 33

3-4-3-1 مدل­های صفر معادله­ای………………………………………………………. 35

3 -4-3-2 مدل­های یک معادله­ای……………………………………………………….. 35

3-4-3-3 مدل­های دو معادله­ای………………………………………………………….. 36

3-4-3-4 مدل­های دارای معادله تنش………………………………………………………. 36

3-4-4 شبیه­سازی عددی مدل……………………………………………………………. 37

3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل……………………………………………………………. 38

3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان…………………………………………………. 38

3-4-4-3 شرایط مرزی کانال……………………………………………………………… 40

3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل……………………………………………………. 41

3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان……………………………………………………………… 43

3-4-4-6 زمان اجرای مدل……………………………………………………………….. 43

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1 مقدمه………………………………………………………………………………. 46

4-2 شبیه­سازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب………………………………… 46

4-2-1 واسنجی نرم­افزار……………………………………………………………….. 46

4-2-1-1 ارزیابی نرم­افزارپ…………………………………………………………….. 48

4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز – دریچه بر هیدرولیک جریان….. 54

4-3 شبیه­سازی آبشستگی پایین­دست جریان…………………………………………. 59

4-3-1 واسنجی نرم­افزار……………………………………………………………………. 59

4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرم­افزار………………………………………………………………… 61

فصل پنجم: پیشنهادها

5-1 مقدمه……………………………………………………………………………………….. 70

5-2 نتیجه­گیری…………………………………………………………………………………… 70

5-3 پیشنهادها…………………………………………………………………………………. 71

منابع…………………………………………………………………………………………… 74

چکیده:

در سازه‌های ترکیبی سرریز­-­ دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیه‌سازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازه‌ها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیه‌سازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پایین­دست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرم­افزار Flow3D  است. نرم­افزارFlow3D  یک نرم­افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدل برای شبیه سازی جریان­های سطح آزاد سه­بعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدل­سازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحت­سنجی این نرم­افزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازه­های ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیه­سازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیه­سازی آبشستگی جریان از مدل­های مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با   انتگرال­گیری­های پروفیل­های سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه () و هد آب روی سرریز به طول سازه () گردید. مقایسه نتایج مدل­سازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیه­سازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

یكی از عمده‌ترین مشكلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش كه در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است كه علاوه­‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممكن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع،

یک مطلب دیگر :

وب سایت های برگزیده :

 اكثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی كرده­اند كه با وجود تمام دست­آوردهای مهمی كه تاكنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود كه می‌تواند پایداری این سازه­ها را با خطرات جدی مواجه كند.

پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد كه تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حركت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است كه عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند كه از جمله آن­ها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره كرد (کوتی و ین[1] (1976)، بالاچاندار[2] و همکاران (2000)، کلز[3] و همکاران (2001)، لیم و یو[4] (2002)، فروک[5] و همکاران (2006)، دی و سارکار[6] (2006) و ساراتی[7] و همکاران (2008)).

دریچه­ ها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانال­های باز مورد استفاده قرار می­گیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازه­ها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پایین­دست سازه­ها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.

به منظور افزایش بهره‌وری از سازه­های پرکاربرد سرریزها و دریچه­ها، می‌توان آن­ها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.

2-1- تعاریف

1-2-1- سرریزها

یکی از سازه­های مهم هر سد را سرریزها تشکیل می­دهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازه­گیری دبی جریان در کانال­ها­ مورد­استفاده قرار می­گیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام می­دهند، باید سازه­ای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهره­برداری آمادگی داشته باشد.

معمولاً سرریزها را بر حسب مهم­ترین مشخصه آن­ها تقسیم­بندی می­كنند. این مشخصه می­تواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخلیه باشد. بر حسب این­كه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای كنترل­دار و یا سرریزهای بدون كنترل شناخته می­شوند.

2-2-1- دریچه ها

دریچه­ها سازه­هایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته می­شوند. از دریچه­ها به منظور قطع و وصل و یا كنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده می­شود و از لحاظ ساختمان به گونه­ای می­باشند كه در حالت بازشدگی كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسیر جریان خارج می­گردد.

دریچه ­ها در سدهای انحرافی و شبکه­های آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانال­ها، مخازن و پشت سدها به کار می­روند (نواک[1] و همکاران، 2004).

دریچه­ ها به صورت زیر دسته­بندی می­شوند:

بر اساس محل قرارگیری: دریچه­های سطحی و دریچه­های تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار می­گیرند.

بر اساس کاری که انجام می­دهند: دریچه­های اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهره­برداری قرار می­گیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده می­شود.

بر اساس مصالح بدنه: دریچه­های فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار می­گیرد.

بر اساس نوع بهره­برداری: دریچه­ های تنظیم کننده دبی و دریچه­های کنترل­کننده سطح آب

بر اساس مکانیزم حرکت: دریچه­ های خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار می­کند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل می­نماید. دریچه برقی از دستگاه­های برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابه­جا می­شوند.

بر اساس نوع حرکت: دریچه ­های چرخشی، غلطان، شناور و دریچه­هایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت می­نمایند.

بر اساس انتقال فشار آب: دریچه­ ها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایه­ های پل یا به تکیه­ گاه­ ها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیه­ گاه­ ها و هم بر کف منتقل شود.

3-2-1- سازه ترکیبی سریز – دریچه

تركیب سرریز – دریچه یكی از انواع سازه­های هیدرولیكی می­باشد كه در سال­های اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی كه سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان می­باشد (مانند كانال عبور فاضلاب) بكار رفته است. سازه ترکیبی سرریز – دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری می­كند. از دیگر كاربردهای عملی این تركیب، می­توان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد كه منجر به كاهش حجم مفید مخزن می­گردد اقدام به تعبیه تخلیه­كننده­های تحتانی می­گردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلاب­های محتمل به صورت روگذر نیز عمل می­كنند كه از این دو جهت، مدل تركیبی سرریز – دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها می­باشد. اگرچه این نوع سازه دارای كاربرد فراوانی در سازه­های هیدرولیكی می­باشد.

جهت به حداقل رساندن مشكلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آن­ها می‌توان از سازه تركیبی سرریز – دریچه استفاده كرد به طوری كه در یك زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله تركیبی می‌تواند مشكلات ناشی از فرسایش و رسوب­گذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همكاران، 2010).

همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).

مشكلاتی را كه در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با استفاده از سازه تركیبی سرریز – دریچه به مقدار زیادی كاهش داده که امكان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همكاران، 1385).

سیستم سرریز – دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور می­دهد (شکل 1- 1).

از این­رو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پایین­دست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر می­تواند مفید واقع شود.

[1] Novak

[1] Kuti &Yen

[2] Balachandar

[3] Kells

[4] Lim &Yu

[5] Faruque