بررسی تحلیل عددی جریان در نزدیکی رمپ هواده سرریز تونلی

پایان نامه

کارشناسی ارشد

مهندسی عمران – سازه‌های هیدرولیکی

عنوان :

تحلیل عددی جریان در نزدیکی رمپ هواده سرریز تونلی

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 144  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

1          مقدمه   3

1-1         مقدمه    3

1-2         بیان مسئله    4

1-3         ضرورت انجام تحقیق    4

1-4         هدف از انجام تحقیق    5

1-5         ساختار پایان نامه    5

2           ادبیات فنی و پیشینه موضوع   7

2-1         مقدمه    7

2-2         تعاریف و اصول اساسی حاکم بر پدیده کاویتاسیون    7

2-2-1     پدیده کاویتاسیون و چگونگی وقوع آن    7

2-2-2     علل وقوع پدیده کاویتاسیون    8

2-2-3     اندیس کاویتاسیون    9

2-3         تاثیرات و خسارات ناشی از کاویتاسیون در سرریزها    10

2-3-1     تاثیرات کاویتاسیون    10

2-3-2     مکانیسم تخریب ناشی از وقوع کاویتاسیون    11

2-4         روش های پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون    12

2-4-1     اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص    13

2-4-2     سرریزهای پلکانی    13

2-4-3     هوادهی    13

2-5         هوادهی جریان    14

2-5-1     تقسیم بندی کلی هوادهی جریان    15

2-5-2     تاثیرات هوادهی جریان در سرریزها    18

2-6         تحقیقات صورت گرفته در رابطه با هوادهی    19

3           مواد و روش ها   40

3-1         مقدمه    40

3-2         معادلات حاکم بر جریان    40

3-3         تهیه مدل عددی    42

3-3-1     مدل و شرایط آزمایشگاهی    42

3-3-2     معرفی نرمافزار Fluent  45

3-3-3     هندسه و شبکه بندی مدل عددی    51

3-3-4     شرایط مرزی و شرایط اولیه    54

3-3-5     تنظیمات نرمافزار    55

3-3-6     تحلیل حساسیت    56

4            نتایج تحلیل عددی جریان –  بدون هوادهی   59

4-1         مقدمه    59

4-2         صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی    59

4-2-1     طول اتصال مجدد    59

4-2-2     ضرایب فشار    62

4-2-3     پروفیل های سرعت    64

4-3         تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر روی مشخصه های هیدرولیکی جریان    66

4-3-1     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر روی طول اتصال مجدد    66

4-3-2     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر C_{P min}  68

4-3-3     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی    69

4-4         پروفیل های سرعت جریان عبوری از روی رمپ    70

4-5         پروفیل های توزیع فشار    72

5           نتایج تحلیل عددی جریان –  با هوادهی   77

5-1         مقدمه    77

5-2         صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی    77

5-2-1     طول کاویتی    77

5-2-2     ضرایب فشار    79

5-2-3     پروفیل های سرعت    83

5-3         تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر پارامترهای جریان    86

5-3-1     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر طول کاویتی    86

5-3-2     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر C_{P min}  87

5-3-3     تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی    88

5-4         تاثیر هوادهی بر مشخصه های جریان    90

5-4-1     طول کاویتی    90

5-4-2     ضریب فشار مینیمم  C_{P min}  93

5-4-3     شدت توربولانسی    95

5-4-4     پروفیلهای سرعت    96

5-4-5     پروفیلهای فشار    100

5-5         کارایی مدل های عددی دو بعدی و سه بعدی در شبیه سازی جریان عبوری از روی رمپ                     103

5-5-1     حالت بدون هوادهی    103

5-5-2     حالت با هوادهی    104

6           نتیجه گیری و پیشنهادات   106

فصل اول

مقدمه

1          مقدمه

1-1      مقدمه

بشر از دیرباز با ساخت سد‌ها جهت رفع نیازهای آبی خود آشنا بوده است. از قرن گذشته با گسترش علم و تکنولوژی، ساخت انواع مختلف سدهای بلند با مهار جریان‌های سطحی جهت تأمین نیازهای آب کشاورزی، صنعتی، شرب و کنترل سیلاب و تولید نیروی برقآبی توسعه یافت. در این سدها سرریز به عنوان یکی از سازه‌های هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیه‌ی سیلاب‌های ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پایین‌دست را به عهده دارد. یکی از مشکلات عمده مطرح در سرریز سدهای بلند مسئله‌ی احتمال وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون و تخریب‌های ناشی از آن در بستر و جداره‌ی بتنی سرریزهاست که نه تنها عملکرد هیدرولیکی این سازه‌ها و سد را دچار اخلال می‌نماید بلکه خسارات قابل‌توجهی را به سازه‌ی سرریز وارد می‌نماید. ازجمله سرریزهایی که در اثر بروز این پدیده دچار آسیب گردیده‌اند می‌‌توان به سرریز تونلی سد گلن کانیون[1] در آمریکا و سرریز آزاد سد کارون1 در کشورمان اشاره نمود.

در سرریز سدهای بلند به دلیل بالا بودن سرعت جریان (بیش از m/s 20) هرگونه تغییر در هندسه‌ی مجرا، زبری بستر و جدار، انحنا در مسیر جریان و وجود درزهای اجرایی در جدار موجب جداشدگی جریان از جداره‌ی مجرا و کاسته شدن موضعی فشار از میزان فشار بخار آب می‌گردد. در این صورت با بروز پدیده‌ی کاویتاسیون، آب در دمای محیطی خود از حالت مایع به حالت به بخار تبدیل و حباب‌های کاویتاسیون (حباب‌های بخار آب) تشکیل می‌شوند که با حرکت همراه آب به مناطق با فشار بالا از بین می‌روند. اضمحلال این حباب‌های کاویتاسیون که توأم با تولید موج‌های فشاری قوی ناشی از انفجار حباب‌ها و آزاد شدن مقدار قابل توجه انرژی می‌باشد، اگر در نزدیکی جداره‌ی سرریز رخ دهد باعث فرسایش و خوردگی سطح بتنی سرریز گردیده و در صورت تداوم، خسارات هنگفتی را به جداره و سازه وارد می‌نماید.

تحقیقات صورت گرفته در زمینه‌ی بررسی پدیده‌ی کاویتاسیون و روش­های پیشگیری از آن در سرریزها نشان داده است که استفاده از بتن مقاوم و اصلاح انحنا و جداره جریان، سرریزهای پلکانی و هوادهی به جریان از روش­های مناسب جهت پیشگیری وقوع این پدیده و کاهش خسارات ناشی از آن می­باشند که در این بین موثرترین و اقتصادی‌ترین روش برای پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از این پدیده، هوادهی می‌باشد.

ورود هوا به داخل جریان در سرریزها باعث تغییر بسیاری از خصوصیات جریان می­شود که از جمله آن­ها می­توان به تغییرات در چگالی جریان، تغییرات سرعت و فشار و تغییر وضعیت توربولانسی جریان اشاره کرد که برخی از این تغییرات مفید و برخی دیگر برای سیستم هیدرولیکی مورد مطالعه مضر می­باشند.

هزینه گزاف و مدت زمان طولانی احداث سازه­های هیدرولیکی و توجه به اینکه هنوز انجام آزمایش کماکان به عنوان دقیق­ترین روش در بررسی مسائل و مشکلات پیش روی اینگونه سازه­ها مطرح می­باشد، محققان و طراحان را بر آن داشته تا با شبیه سازی جریان واقعی بر روی مدل­های فیزیکی و انجام آزمایشات گوناگون در پی مرتفع کردن مشکلات و مسائل مذکور باشند. بدین دلیل استفاده از مدل­های عددی در دهه­های اخیر بسیار توسعه یافته است.

مهمترین امتیاز یک برآورد محاسباتی عددی، هزینه پایین و سرعت قابل ملاحظه آن است. همچنین حل عددی مسائل، اطلاعات کامل و جزئیات لازم را به ما خواهد داد و مقادیر متغیرهای مربوطه را در سراسر حوزه مورد مطالعه به دست می­دهد. برخلاف شرایط نامطلوبی که ضمن آزمایش پیش می­آید، مکان­های غیرقابل دسترس در کارهای محاسباتی عددی کم می­باشد. بدیهی است از هیچ بررسی آزمایشگاهی نمی­توان انتظار داشت تا تمام متغیرهای دخیل در پدیده مورد مطالعه را در کل میدان جریان اندازه گیری نماید بنابراین جهت تکمیل اطلاعات آزمایشگاهی، حل عددی هم زمان نیز ضرورت پیدا می­کند.

1-2       بیان مسئله

سال‌های مدیدی است که حوادث مربوط به پدیده‌ی کاویتاسیون ذهن مهندسان را در نقاط مختلف جهان به خود معطوف کرده است. پدیده‌ی کاویتاسیون پدیده‌ی نام آشنایی است که در اکثر سازه‌های هیدرولیکی که در معرض جریان‌هایی با سرعت بالا قرار دارند ازجمله سرریز سدها، به عنوان یک خطر و چالش بزرگ مهندسی تلقی می‌شود. البته لازم به ذکر است که عامل موثر بر روی این پدیده تنها به سرعت محدود نمی‌شود و وجود مجموعه‌ای از عوامل متعدد منجر به وقوع این پدیده می‌گردد.

در سرریزهای بلند در نواحی انتهایی، سرعت جریان فوق‌العاده افزایش و عمق جریان کاهش می‌یابد. ترکیب این عوامل باعث کاهش شاخص کاویتاسیون[2] می‌گردد. در نتیجه نقطه‌ای از سازه با نامنظمی نرمال می‌تواند تبدیل به نقطه‌ی شروع کاویتاسیون در سازه گردد. در چنین حالتی این امکان وجود دارد که با کاهش سرعت جریان و یا با افزایش فشار جریان در مرزها از وقوع این پدیده جلوگیری کرد. توجه به این امر ضروری است که شکل هندسی سرریز نیز در وقوع و یا عدم وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون نقش قابل ملاحظه‌ای ایفا می‌کند. برای جلوگیری از وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون باید موقعیت نقاطی را که در آن‌ها ممکن است با افزایش سرعت، فشار تا حد فشار بخار مایع کاهش می‌یابد، شناسایی کرد.

هوادهی جریان به عنوان عامل موثر در از بین بردن یا کاهش تخریب­های ناشی از کاویتاسیون در سرریزهای آزاد و تونلی تحت­فشار، تاثیر قابل توجهی بر روی ساختار هیدرولیکی جریان از جمله میدان­های فشار و سرعت داشته و در سال­های اخیر شناخت صحیح الگوی جریان و تاثیرات ناشی از هوادهی در سرریزهای تحت­فشار دارای سیستم هواده، از جمله مباحث مورد مطالعه تعدادی از محققین بوده و به علت پیچیدگی خاص جریان­های دو فازی و روشن نبودن دقیق ارتباط میان هوادهی جریان با کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون، هنوز به مطالعات دامنه­داری در خصوص این موضوع نیاز می­باشد.

بهمراه تعداد رفرنس بالا

و......