مدل‌سازی توزیع هوای واردشده از سطح جریان در تنداب با استفاده از تحلیلگر میانگین عمقی نرم‌افزار حجم محدود NASIR1

نویسندگان
چکیده
- در این مقاله، نتایج مدل‌سازی جریان و توزیع غلظت هوای وارد‌شده از سطح جریان در تنداب سرریز، تشریح شده است. در تحلیلگر میانگین عمقی نرم‌افزار NASIR که از آن استفاده شده است، معادلات آب‌های کم‌عمق اصلاح‌شده برای شیب تند با روش حجم محدود (رئوس سلول هم‌پوشان و مرکزیت سلول) روی شبکه مثلثی بی‌ساختار حل می‌شوند. با به‌کارگیری پارامترهای عمق و سرعت میانگین عمقی جریان تحلیل‌شده به وسیله‌ی نرم‌افزار، پارامترهای هواگیری از سطح (مانند تعیین موقعیت نقطه شروع هواگیری، محاسبه غلظت میانگین هوا و توزیع عمقی آن) از روابط تجربی ارائه‌شده به وسیله‌ی محققین قبلی، گرفته شده است. در این پژوهش برای بررسی عددی پدیده هواگیری از سطح جریان در تنداب از سه شیوه استفاده شده است: 1) بدون در نظر گرفتن تأثیر ورود هوا، پارامترهای جریان، تحلیل عددی شده، سپس با استفاده از نتایج تحلیل و یک پس پردازنده، توزیع هوای وارد‌شده از سطح محاسبه می‌شود؛ 2) حل همگام جریان آب و توزیع هوا بدون اعمال تأثیر چگالی مخلوط آب و هوا در مقدار حرکت جریان با در نظر گرفتن تأثیر ورود هوا بر کاهش تنش‌های استهلاکی و تورم عمق جریان، در هر گام محاسباتی، انجام می‌شود، 3) حل هم‌زمان غلظت هوا و جریان آب با اعمال چگالی مخلوط آب و هوا در مقدار حرکت جریان انجام می‌شود و علاوه بر تأثیر ورود هوا بر کاهش تنش‌های استهلاکی و تورم عمق جریان در هر گام محاسباتی، تأثیر تغییر چگالی مخلوط آب و هوا بر تغییرات استهلاک مقدار حرکت نیز در نظر گرفته می شود. برای ارزیابی کیفیت نتایج به دست‌آمده از سه شیوه مدل‌سازی، نتایج محاسباتی جریان و غلظت هوا در تنداب سرریز سد آویمور با اندازه‌گیری‌های میدانی گزارش‌شده در مراجع، مقایسه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Using Depth Average Flow Solver of NASIR Finite Volume Software for Modeling Air Entrainment from Water Surface in Chute Flow

نویسندگان English

S.R. Sabbagh-Yazdi
H. Rezaei-Manizani
چکیده English

In this paper, the results of water flow modeling and computation of air distribution in chute spillways are
described. The depth average flow solver of NASIR finite volume software was utilized for modeling of
water flow in chute spillways. In this module, the shallow water equations modified for steep slopes are
solved using cell-centre and cell-vertex schemes of finite volume method that suits unstructured triangular
meshes. Using the computed velocity components and flow depth at each nodal point, the air entertainment
parameters (air inception point, mean air concentration and vertical distribution of air concentration) are
calculated by utilizing some empirical relations. The empirical relations for the air concentration were
adopted by the pervious researchers using the measurements on large scale flow in chute spillways.
In the present work, three modeling strategies were performed: 1) Solution of flow field and then
calculation of air concentration parameter (as a post-processing operation after convergence of the water
flow solution), 2) Coupled solution of the flow equations and air concentration relations considering the
flow bulking and reduction of global friction parameters due to air entrainment and 3) Adding the air
entrainment on density variation effects to the coupled solution of the flow equations and air concentration
relations considering the flow bulking and reduction of global friction parameters due to air entrainment.
In order to assess the quality of the results of the three modeling strategies, the readily available flow
velocity and air concentration measurements on AVIMORE chute spillway were used for comparison
considering the best experimental relations for simulating the entrainment of air into the flow on chute
spillways. In order to provide better understanding of the velocity and air concentration, the vertical
distribution profiles of these parameters were plotted from the multi-layer treatments of depth averaged
computed results.
Comparison of the computed velocity fields and air concentrations with the reported field measurements at
the stations 503 and 505 of AVIEMORE chute spillway presents promising agreements. However, the
accuracy of the 2nd and 3rd modeling strategies (in which the coupled solutions of water flow equations and
air concentration relations are considered and the effect of air content on the reduction of global friction of
the water flow is taken into consideration) was much better than that of the 1st modeling strategy (in which
the air concentration relations are considered as post processing on water flow equation solution for depth
and velocity fields). Furthermore, no significant differences were observed between the results of the 2nd
and 3rd modeling strategies. Hence, it can be concluded that the effect of air concentration on density
variation of the supercritical water flow does not play an important role on the results of the coupled
solutions of water flow equations and air concentration relations.

کلیدواژه‌ها English

Modeling chute spillway flow
Vertical distribution of air entrainment from water surface
SWE for steep slope
صباغ یزدی، س ر؛"شار انتقالی جهت دار در مرزهای ]
حجم محدود بی ساختار با گام محاسباتی
چند مرحله ای برای شبیه سازی امواج سطحی ایستا در
1386 ،53- تنداب تنگ شونده" مجله هیدرولیک-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Balas. L. & Ozhan. E. (2000);”An Implicit
Three-Dimensional Numerical Model to
Simulate Transport Processes in Coastal Water
Bodies”; International Journal for Numerical
Methods In Fluids, 307-339-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Cain, P & Wood, I. R. (1983)”Measurements of
Self- Aerated Flow on Spillways”, J. of Hyd.
Div., 107, HY11, 1425-1444-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Chanson, H. (1988);”Study of Air Entrainment
and Aeration Devices on Spillway Model”; A
Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the
Requirements for the Degree at the University
of Canterbury, New Zealand-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Chanson, H. (1995);”Air Concentration
Distribution in Self-Aerated Flow -
Discussion.” Journal of Hydraulic Engineering.
Res., IAHR, Vol. 33, No. 4, 586-588.-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Chanson, H. (1994);”Air-Water Interface Area
in Self-Aerated Flow.” Water Res., IAWPRC,
Vol. 28, No. 4, 923-929.-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Chanson, H. (1993);”Self-Aerated Flows on
Chutes and Spillways.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 119, No. 2, pp. 220-
243. Discussion: Vol. 120, No. 6, 778-782-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Chanson, H. (1992);” Uniform Aerated Chute
Flow, Discussion.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 6, 944-955-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Fernando, A.M & Rico, J.R. (2002),"On the
Incipient Aerated Flow in Chutes and
Spillways", Journal of Hydraulic Research, Vol
.40, No.1, 1752-1762-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Kramer, K (2004);” Development of Aerated
Chute Flow”; Doctoral Thesis ETH No. 15428;
Dipl.-Ing. Technical University of Darmstadt
(TUD)-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Namin, M.M. & Falconer R.B. &
Mohammadian, M. & Lin, B & Kamalian, R,
(2002);” Hydro-Enviromental Modeling and
Analysis Tool (HEMAT)”, A GUI base2DH
Hydrodynamic and Contaminant Transport
Model on Unstructured Triangular Grids, Hydro
informatics, Cardiff, U.K-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Zounemat-Kermani, M. &
Mastorakis, N.E. (2007);"Velocity Profile over
Spillway by Finite Volume Solution of Sloping
Depth Averaged Flow" WSEAS Journal of
Applied and Theoretical Mechanics, Issue 3,
Vol. 2, 85-94-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi SR and Zounemat-Kermani M,
(2009) " Numerical Solution of Tidal Currents
at Marine Waterways Using Wet and Dry
Technique on Galerkin Finite Volume
Algorithm" Journal of Computers & Fluids,
Vol. 38, 1876-1886-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Zounemat-Kermani, M. &
Kermani, A. (2007);" Solution of Depth-
Averaged Tidal Currents in Persion Gulf on
Unstrutured Overlaping Finite Volumes"
Intrnational Journal for Numerical Method in
Fluids, 81-101-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Zounemat-Kermani, M.
(2010);" Conjunction of 2D and 3D Modified
Flow Solvers for Simulating Spatiotemporal
Wind Induced Hydrodynamics in the Caspian
Sea" Ocean Science Jurnal, 113-128-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. SaeediFar, A.B. &
Mastorakis N.E. (2008);" A Cell Center Finite
Volume Depth Average Flow Solver for
Simulation of Erosion, Transport and
Deposition of Fine Non-Cohesive Sediments"
Intrnational Journal of Computers, Issue 1, Vol.
2, 47-57-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. SaeediFar, A.B. &
Mastorakis N.E. (2007);"Accurate and Efficient
Numerical Solution of Trans-Critical Steady
Flow in a Channel with Variable Geometry"
WSEAS Journal of Fluid Mechanics, Issue 1,
Vol. 2, 1-10-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Rezaei-Manizani, H. &
Mastorakis NE (2007);"Multi-Layer
Computation of Coupled Finite Volume
Solution of Depth-Averaged Flow in Steep
Chute Spillways Considering Air Concentration
Effects”, WSEAS Journal of Fluid Mechanics,
Issue 4, Vol. 2, 69-76-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Rezaei-Manizani, H. &
Mastorakis NE (2007);" Comparison of the
Results of 2D and 3D Numerical Modeling of
Flow over Spillway Chutes with Vertical
Curvatures”, Intrnational Journal of Computers,
Issue 4, Vol. 1, 296-302.-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Rezaei-Manizani, H. &
Mastorakis NE (2007);" Effects of Bottom
Aerator and Self Aeration in Steep Chute
Spillways on Cell Center Finite Volume
Solution of Depth-Averaged Flow”, Intrnational
Journal of Mathematical Models and methods
In Applied Sciences, Issue 4, Vol. 1, 296-302-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Arabi, H. & Mastorakis
NE (2007);" Multi-Layer Simulation of
Circulations in an Artificial Shallow Lake”,
Intrnational Journal of Mechanics, Issue 3, Vol.
1, 45-53-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi, S.R. Safaieh, R. & Mastorakis
NE (2008);" 3 Modeling Strategies for
Computing Aerated Skimming Flow Parameters
over Stepped Chutes using Depth Averaged
Flow Solver”, Intrnational Journal of
Mathematics and Computer In Simulation, Issue
2, Vol. 2, 134-144-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Sabbagh-Yazdi & Mastorakis NE (2008);"
Comparing Central and Upwind Flux Averages
Schemes of Overlapping Finite Volume Method
For Simulation of Spillway Flow With Shock
Waves”, Intrnational Journal of Computer, Issue
1, Vol. 2, 23-31-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Unami, K. & Kawachi, T. & Munir, B. &
Itagaki, H. (1999);”Two Dimensional
Numerical Model of Spillway Flow” Journal of
Hydraulic Engineering,Vol.125, No.5, 369-375-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Wilhelm, S .(2005);”Bubbles and Waves
Description of Self-Aerated Spillway Flow”
Journal of Hydraulic Research Vol. 43, No. 5,
522-531-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Younus, M. & Chaudhry, M. H. (1994);” A
Depth-Averaged k- Model for the
Computation of Free Surface Flow” Journal of
Hydraulic research, Vol.32, No.3, 415-444-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*
Zarrati, A.R, Jalili, M.R. & Safavi,
Kh.(2007);”Development of a 2-D Numerical
Model for Simulation of Air Distribution in
High Speed Air Water Flow” International
Journal of Civil Engineering, Vol.5, No.1 , 1-13-سعیدرضا صباغ یزدی1، حبیب رضایی مانیزانی2*