وضعیت جریان در محل تغییر شیب ناگهانی سرریزها

نویسندگان
چکیده
سرریزهای ریزش آزاد (شوت)، یکی از سازه‌های مهم بسیاری از سدها است. در سرریز سدهای بلند، بیشتر مواقع برای جلوگیری از پدیده کاویتاسیون با ایجاد یک رمپ و پله روی سرریز، هوادهی به جریان انجام می‌شود. ایجاد رمپ روی سرریز سبب فاصله افتادن بین جت آب و بستر شده و باعث وارد شدن هوا به جریان می‌شود. برای بررسی هوادهی، بررسی وضعیت جریان روی رمپ و به عبارتی محل تغییر ناگهانی شیب، حائز اهمیت است. در این پژوهش با استفاده از مدل عددی FLUENT، مشخصه‌های جریان در محل تغییر شیب ناگهانی سرریز، بررسی شده است. نتایج مدل عددی، مانند فشار در بستر، فشار در عمق، پروفیل سرعت و پروفیل سطح آب با نتایج حل تحلیلی جریان ایده‌ال و همچنین داده‌های آزمایشگاهی مقایسه و تجزیه و تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهد که مدل عددی می‌تواند به خوبی سطح آب و فشارهای دینامیکی را محاسبه کند. در مورد دو پارامتر مهم پروفیل سرعت و توزیع فشار در بستر، نتایج حل عددی نسبت به حل تحلیلی تطابق بیشتری با نتایج آزمایشگاهی دارد. با توجه به مقایسه‌های انجام‌شده می‌توان نتیجه گرفت که در تمام زوایای تغییر شیب، در قسمت کانال سرریز و نیز محل تغییر شیب، نتایج فشار در بستر در مدل عددی نسبت به نتایج تحلیلی تطابق بیشتری با نتایج آزمایشگاهی دارد. همچنین این قاعده روی رمپ سرریز به‌ویژه در زوایای کم، درست است. بیشینه‌ی خطای نتایج فشار در بستر در مدل عددی 5 تا 10 درصد است. حل عددی، پروفیل سرعت را به درستی با خطای حدود 5 درصد ارائه می‌دهد. روی کانال و رمپ به ترتیب قبل و بعد از تغییر ناگهانی، طول تأثیر شیب بر فشار بستر به زاویه تغییر شیب و عمق نرمال بالادست وابسته است. سرانجام، نتایج پروفیل سطح آب حاصل از حل عددی و تحلیلی تقریباً بر هم منطبق است که این انطباق به معنی تأثیر بسیار کم لزجت، گرانش و عامل آشفتگی بر پروفیل سطح آب است

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Flow Condition at Sudden Slope Change of Chutes

نویسندگان English

A. Attarzadeh
A.R. Zarrati
A. Shanehsazzadeh
چکیده English

One of the important parts of many large dams is flood release chute spillway. Aerators are installed
on chute spillways to prevent cavitation phenomenon under very high speed water flow. An aerator
consists of a ramp providing a sudden slope change that separates water from the bed and permits air
to mix with water. For the study of flow condition in aeration zone and for having an insight
knowledge about the aeration, the study of flow condition on the ramp is a prerequisite. The change in
the slope of the bed is common in spillways due to the change in the topographical slope and at the
connection of the spillway and the stilling basin.
In the present study, the flow condition at the place of sudden slope change was numerically simulated
by FLUENT software. FLUENT is powerful software in simulation of water flow, in which the effects
of turbulent are well considered. In this software, the Navier-Stokes equations are numerically solved.
Volume of fluid method is applied to simulate the free surface water accurately. The results of the
model in terms of pressure distribution at bed, pressure distribution in depth, velocity profile and water
surface profile were compared with the results of an analytical model of streamline method as well as
with the available experimental data. The analytical model is a streamline method based on conformal
mapping with the basic assumption of ideal flow. The results of the model were compared in various
slopes and water velocities. The study showed that numerical model can predict water surface profile
and dynamic pressure properly and the results of numerical model are more accurate as compared to
analytical model for the two important parameters of pressure distribution at the bed and the velocity
profile. The pressure distribution was reasonably predicted by the numerical model at the bed of
channel before the ramp for all the studied degrees and at the bed on the ramp for smaller degrees. The
maximum error was nearly 5-10 percent. The velocity profile calculated by the numerical model was
very close to the experimental data and the maximum error was nearly 5 percent. The analytical
method was found quite capable in prediction of dynamic pressure and water surface profile, and less
accurate in predicting the velocity profile. The study also showed that before and after the slope
change, the influence length, where the dynamic pressures are significant, is dependent on the degree
of sudden slope change and also on the amount of normal depth. Furthermore, the water surface
profiles calculated by the numerical model and the analytical model were quite coincident, showing
that the effects of gravity, viscosity and turbulence parameters on the water surface profile are
insignificant.

کلیدواژه‌ها English

hydrodynamic pressure
Fluent
Aeration ramp
chute
Sudden slope change
Numerical solution
Streamline method
Aerator
Rodi, W., Turbulence models and their
application in hydraulics, IAHR,1993-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Bruce, Savage, M., Michael, Johnson, C., Flow
over ogee spillway: physical and numerical
model case study, USA, J. Hydr. Eng., ASCE,
2001, 127(8) pp 640-649-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Cassidy, J.J., Irrotational flow over spillways of
finite height,USA, J. Eng. Mech., Division
ASCE, 1965, 91(6),pp 155-173-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
FLUENT 6.0 User’s Guide, Copy Right ©
2001, Fluent Inc., December 2001-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Henderson, F.M, Flow at the toe of a
spillway,П.The solid toe spillway, La houille
blanche, Jan- Feb 1963 , pp. 42-50-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Henderson, F.M., Flow at the toe of a spillway,
І.The open toe spillway, La houille blanche,
Nov 1962, pp. 728-750-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Olsen, N.R.B., Kjellesvig, H.M., Three
dimensional numerical flow modeling for
estimation of spillway capacity,USA, J. Hydr.
Res., Vol 36(5), 1998, pp 775-784-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Unami, K., Kawachi, T., Munir Babar, M.,
Itagaki, H., Two dimensional numerical model
of spillway flow, USA, J. Hydr. Eng., ASCE,
1999, 125(4) pp 369-375-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Vallentine, H.R., Applied hydrodynamics,
Secound Edition, London, botter worths &co
publishers, 1967-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Woods, L.C.( 1959),compressible subsonic flow
in two dimensional channels with mixed
boundary condition, Quart, J. Mechanic And
Applied Mathematics, Vol. VII, Part 3, p.263-
282-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Youngs, D. L., Time-Dependent Multi-Material
Flow with Large Fluid Distortion. In K. W.
Morton and M. J. Baines, editors, Numerical
Methods for Fluid Dynamics. Academic Press,
1982.-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
Zarrati, A.R., Yee Chung Jin, Shaneh sazzadeh,
A., Ahadi, F., Potential flow solution for
a free surface flow past a sudden slope change,
Canadian, J. of. Civil .Engineering, 2004, Vol
31-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
احدی خواجه بلاغ فضائیل، "تحلیل جریان در محل ]
تغییر شیب تنداب ها "، پایان نامه کارشناسی ارشد،
. دانشگاه امیر کبیر، تهران، 1377-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
حیدری، م؛ "شبیه سازی جریان روی سرریز اوجی با ]
پایان نامه کارشناسی ،"FLUENT استفاده از نرم افزار
. ارشد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، 1-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3
شانه ساززاده، ا، "فشار دینامیکی جریان در محل تغییر ]
شیب ناگهانی سرریز"، پایان نامه کارشناسی ارشد،
. دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، 137-علی عطارزاده1، امیررضا زرّاتی2، احمد شانه‌ساززاده3