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......

بهسازی لرزه‌ای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با استفاده از ورقه های FRP

پایان نامه ­ی کارشناسی ارشد

 رشته­ ی مهندسی عمران

 عنوان :
بهسازی لرزه‌ای مخازن بتنی مرتفع ذخیره آب با استفاده از ورقه های FRP

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 135  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

  عنوان                                                                                                        صفحه

 فصل اول: مقدمه ……………………………………………………………………………………….. 2

 فصل دوم:مروری بر تحقیقات گذشته…………………………………………………………………. 5

فصل سوم: مبانی تئوری

3-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………….. 9

3-1-1-تعریف مخزن بتنی ……………………………………………………………………… 9

3-2- مثال‌های زوال مخازن مرتفع………………………………………………………………….. 10

3-2-1- گزارش زلزله منجیل درباره زوال و خسارت­های مخازن مرتفع………………………. 10

3-2-1-1-مخزن شماره یک ……………………………………………………………………………………. 10

3-2-1-2-مود زوال مخزن شماره یک…………………………………………………………………….. 11

3-2-1-3-مخازن شماره دو و سه …………………………………………………………………………… 11

3-2-1-4-مواد زوال مخزن شماره دو………………………………………………………………………. 12

3-2-1-5-مواد زوال مخزن شماره سه …………………………………………………………………… 12

3-2-2- زلزله BHUJ در سال 2001 …………………………………………………………………………. 13

3-2-3- زلزله بم در سال 2003 …………………………………………………………………………………. 15

3-3- رفتار مخازن مرتفع در برابر زمین لرزه ………………………………………………………. 17

3-3-1- خرابی‌های کلی در مخازن ذخیره مایعات و عوامل آن……………………………………. 18

3-4- محاسبه نیروها و بارگذاری………………………………………………………………………….. 18

3-4-1- بارهای وارده بر مخازن هوایی……………………………………………………… 18

3-4-2- نحوه محاسبه بارها…………………………………………………………………………… 19

3-4-2-1-بار مرده ……………………………………………………………………………… 19

عنوان                                                                                                        صفحه

 3-4-2-2-بار زنده……………………………………………………………………………………. 19

3-4-2-3-فشار استاتیکی سیال ……………………………………………………………………………… 19

3-4-2-4-نیروی ناشی از تغییرات دما…………………………………………………………………….. 19

3-4-2-5-نیروهای دینامیکی وارده به مخزن………………………………………………………….. 19

3-4-3- فشارهای هیدرودینامیکی در مخازن……………………………………………. 20

3-5- عوامل مهمر دیگر ……………………………………………………………………………………….. 20

3-5-1- تاثیر انعطاف‌پذیری دیوارهای مخزن ……………………………………………….. 20

3-5-1-1- بررسی تأثیر انعطاف‌پذیری بر فشارهای هیدرودینامیکی……………………. 20

3-5-1-2-  استفاده از روش جرم افزوده با در نظر گرفتن

 انعطاف‌پذیری دیوارها …………………………………………………………………………….. 22

3-5-2- تاثیر بر هم کنش خاک و مخزن…………………………………………………………………….. 24

3-5-3- رفتار پیچشی ارتعاشی غیرارتجاعی مخازن مرتفع ……………………………………….. 29

3-6- بهسازی رفتار با استفاده FRP……………………………………………………………………………. 29

3-6-1- تعریف FRP……………………………………………………………………………………………. 29

3-6-2- الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌های FRP…………………………………………………… 30

3-6-2-1- الیاف شیشه ………………………………………………………………………………………. 30

3-6-2-2- الیاف کربن ………………………………………………………………………………………… 31

3-6-2-3- الیاف آرامید………………………………………………………………………………………… 31

3-6-3- رزین­های موجود در ساخت FRP…………………………………………………………………….. 31

3-6-4- پوشش­های FRP…………………………………………………………………………………. 32

3-6-4-1- پوشش­های دست ساز……………………………………………………………………….. 32

3-6-4-2- ورقه­ها یا صفحات پیش ساخته شده­ی کامپوزیت …………………………. 33

3-6-4-3- ورقه­های ماشینی ……………………………………………………………………………… 34

3-6-5- استفاده از پوشش­های FRP……………………………………………………………………………. 34

3-6-5-1- استفاده از FRP در بهسازی سازه­های بتنی …………………………………… 34

3-7- مبانی تئوریک تحلیل استاتیکی غیر خطی (فشار افزون)………………………………………… 36

3-7-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………. 36

3-7-2- مبانی تئوری تحلیل فشار افزون……………………………………………………………. 39

• 3-7-3- جابجایی هدف……………………………………………………………………………………. 46

3-7-4- الگوهای بار جانبی………………………………………………………………………………….. 50

عنوان                                                                                                        صفحه

 3-5- انجام تحلیل فشار افزون…………………………………………………………………………….. 52

3-7-6- محدودیتهای تحلیل فشار افزون……………………………………………………………………… 54

3-7-7- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………… 59

3-8- چگونگی محاسبه شکل پذیری و ضریب رفتار سازه ها…………………………………………….. 61

3-8-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………….. 61

3-8-2- تعیین ضریب رفتار و پارامترهای موثر درآن………………………………………………….. 62

3-7-3- ایده آل سازی منحنی ظرفیت………………………………………………………………………… 71

فصل چهارم: مدل سازی و تحلیل اجزاء محدود اتصالات

4-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………… 74

4-2- تحلیل اجزاء محدود و مفهوم تحلیل غیر خطی………………………………………………………… 74

4-3- مدل سازی اجزاء محدود بتن آرمه در ANSYS……………………………………………………… 76

4-3-1- معیار شکست حاکم بر رفتار بتن در نرم افزار ANSYS…………………………….. 77

4-3-2- پارامترهای مورد نیاز برای مدل سازی اجزاء محدود بتن آرمه……………………. 79

4-3-3- المانهای مورد استفاده برای مدل سازی بتن و آرماتور در ANSYS…………… 82

4-4- مدل سازی سیال در ANSYS…………………………………………………………………………………… 82

4-5- مدل سازی کامپوزیتهای FRP در ANSYS…………………………………………………………….. 82

4-5-1- معیار شکست حاکم بر رفتار کامپوزیتها…………………………………………………………… 83

4-5-2- المانهای مورد استفاده در ANSYS برای مدل سازی FRP…………………………… 84

4-6- مقایسه نتایج بدست آمده از ANSYS………………………………………………………………………. 86

4-7- تحلیل اجزاء محدود غیر خطی مخازن، تشخیص مکانیزم شکست آن ها

و تقویت آن‌ها با ورقهای FRP………………………………………………………………………………….. 86

4-7-1- ابعاد، مشخصات و مصالح مورد استفاده در ساخت نمونه های مورد نظر………. 87

4-7-2- مدل سازی مخازن با استفاده از ANSYS……………………………………………………….. 88

4-7-2-1-ترسیم مدل………………………………………………………………………………………………. 88

4-7-2-2- تعریف المان ها و معرفی ثابت های حقیقی آنها…………………………………. 90

4-7-2- 3-معرفی مواد مورد استفاده………………………………………………………………………. 91

4-7-2-4- اعمال شرایط مرزی ………………………………………………………………………………. 93

4-7-3- انجام آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانی و فشار افزون…………………………………. 95

4-7-4- تشخیص مکانیزم شکست…………………………………………………………………….. 97

عنوان                                                                                                        صفحه

 4-7-5- انتخاب ضخامت های FRP………………………………………………………………… 98

4-7-6- نتایج حاصل از آنالیز فشار افزون مدلهای با FRP ………………………………………….. 99

4-7-7- انجام آنالیز دینامیکی تاریخچه ی زمانی بر روی مدلهای برگزیده ……………….. 107

4-7-8- نتیجه گیری…………………………………………………………………………… 107

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری………………………………………………………………………………… 110

5-2- پیشنهادات…………………………………………………………………………………………… 111

 فهرست منابع و مأخذ ……………………………………………………………………………. 112

مقدمه

مخازن هوایی ذخیره مایعات، نه تنها برای ذخیره آب، بلکه برای ذخیره مواد شیمیایی و سمی، در اشکال مختلف بکار می­روند. با در نظر گرفتن کاربرد این سازه­ها در عمران و شهرسازی و شبکه­های صنعتی، اهمیت آن ها، قبل و بعد از وقوع زلزله مشخص می­گردد. اهمیت این سازه­ها از آنجاست که وظیفه مهمی چون آبرسانی، به عهده این مخازن می­باشد. همچنین در هنگام وقوع زلزله، اگر شکستی در مخازن ذخیره مواد شیمیایی و سمی رخ دهد، باعث ایجاد ضررهای محیطی و طبیعی می­گردد.

با توجه به پیچیدگی رفتار این سازه­ها، نیاز به بررسی­ها و مطالعات بیشتری در این نوع مخازن احساس می­شود. این پیچیدگی­ها، بیشتر مربوط به اندر کنش بین آب و سازه می­باشد.

تعدادی از این مخازن در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت و بندر انزلی) و در سال 2003 بم سقوط کرده یا خسارت دیده­اند. زمانی که مخزن ذخیره مایع به لرزش می­افتد، نیروهای هیدرودینامیکی در سطح تماس بین آب و دیوارهای سازه ایجاد می­شود؛ که مقدار این نیروها وابسته به شتابی است که مخزن از طرف زمین دریافت می­کند. در مخازن مرتفع علاوه بر این نیروها، جرم مخزن که در قسمت بالایی سازه نگهدارنده قرار دارد، لنگری به پای سازه نگهدارنده منتقل می­کند. زوال در مخازن مرتفع، عمدتاً به علت لنگر ایجاد شده در پای سازه نگهدارنده می­باشد. این لنگر باعث زوال موضعی یا کلی سیستم می­شود.

با داشتن مشخصات سازه­ی مخزن بتنی مرتفع، که در زلزله سال 1990 منجیل (در شهر رشت) و در سال 1990 منجیل به زوال رسیده است، آن را مدل می­کنیم. نیروهایی را که
 می­بایست به سازه اعمال کنیم، شامل نیروهای استاتیکی و نیروهای دینامیکی می­شود. نیروهای استاتیکی شامل وزن سازه و وزن آب داخل مخزن می­باشد. نیروهای دینامیکی، که منشا پیدایش آنها حرکت زمین است؛ شامل نیروهای ناشی از جرم سازه، جرم آب ثابت و جرم آب متحرک می­باشد.

اعمال نیروهای هیدرو دینامیکی به سازه، به دو روش کلی می­تواند صورت بگیرد:

1- بصورت استاتیکی (با استفاده از آیین­نامه­های مختلف)

2- بصورت دینامیکی

بعد از آنکه نیروها به سازه اعمال شد، نوبت به بررسی تنش­ها، نیروهای داخلی سازه و در نهایت تشخیص مکانیزم شکست سازه می­رسد.

شکست سازه به دو نوع صورت می پذیرد:

1- شکست خمشی: شکست خمشی معمولاً با تسلیم میلگرد همراه می­باشد. در این حالت، کاهندگی مقاومت در حلقه­های پسماند دیده نمی­شود، اما کاهندگی سختی ناشی از تسلیم میلگردها مشخص می­باشد. در شرایطی که دیوار تحت نیروی فشاری نیز قرار گیرد شکست خمشی، با خرد شدن بتن فشاری همراه است؛ در این حالت علاوه بر کاهش سختی کاهش مقاومت نیز به وجود می­آید.

2- شکست برشی: دیوارهائی که نسبت ابعاد (ارتفاع به طول) کمی دارند، دچار شکست برشی می­گردند، در این حالت دیوارها دچار ترک­های قطری می­شوند. مود شکست در این حالت به صورت ترد در پای دیوار رخ می­دهد.

با تشخیص نوع و چگونگی شکست، بحث بهسازی مخزن مطرح می­شود.

امروزه نگهداری و مرمت سازه­ها، به دلی�%