بررسی عددی تاثیر شکل تاج بر ضریب آبگذری سرریزهای کنگره ای قوسی با پلان ذورنقه ای

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی آّب، دانشگاه تربیت مدرس
2 استاد هیدرولیک، دانشکده عمران و محیط زیست و پژوهشکده آب، دانشگاه تربیت مدرس
3 استادیار گروه سازه های دریایی، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
سرریزها نقش تعیین کننده ای در ایمنی سدها داشته و بخش قابل توجهی از هزینه‌های مربوط به ساخت سد را به خود اختصاص می‌دهند. کارشناسان برای اطمینان از ایمنی سدها مجبور به انتخاب سیلاب های با دوره بازگشت بالا، بعنوان سیلاب طراحی سرریزها هستند. افزایش ظرفیت سرریز از طریق افزایش عرض آن، همواره میسر نمی باشد، چراکه شرایط توپوگرافی محل احداث سرریز می تواند عاملی محدودکننده در انتخاب طول تاج آن باشد. در این میان یکی از راه های افزایش ظرفیت آبگذری سرریزها، استفاده از سرریزهای کنگره ای است که از طریق افزایش طول مؤثر تاج در یک عرض مشخص، دبی بیشتری را به ازای یک بار هیدرولیکی یکسان از خود عبور می دهند. ظرفیت آبگذری سرریزهای کنگره ای تابعی از ارتفاع کل جریان، طول مؤثر تاج، ارتفاع سرریز و شکل تاج می باشد. ضریب آبگذری نیز تابعی از ارتفاع کل جریان، ارتفاع سرریز، ضخامت سرریز و شکل پروفیل تاج است. در این مقاله، با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D، روند تغییرات ضریب آبگذری برای اشکال تاج نیم دایره، ربع دایره، مسطح و لبه تیز با توجه به طول های مختلف سرریز کنگره ای قوسی، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که عواملی همچون استغراق موضعی، تأثیر منفی روی عملکرد سرریزهای کنگره ای قوسی دارد. همچنین، بررسی اشکال مختلف تاج سرریز نشان داد که شکل تاج نیم دایره می‌تواند ظرفیت آبگذری سرریز را تا حدود 22% نسبت به شکل های دیگر افزایش دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Numerical study of effect of Crest shape on Discharge Coefficient of Trapezoidal Arced Labyrinth Weir

نویسندگان English

ALi Gholizadeh 1
Masoud ghodsian 2
Rouzbeh Panahi 3
1 M.Sc. of Water Engineering, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University
2 Professor of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University
3 Assistant Professor of Marine Structures, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University
چکیده English

Weirs have important roles in dam safety in which they should spill floods with high return period. Designers generally enhance width of the weirs to increase their discharge capacity. This procedure involves topography as well as economic limitations. Here, arced weirs can be considered as an alternative. In plan view, arced weir is part of a circle that increases the crest length for a given channel width. This increases the flow capacity at a similar heads. Such structures are also recommended for modification and increasing the capacity of the existing spillways. Discharge capacity of labyrinth weirs is a function of flow height, effective crest length, height of weir and shape of the crest. Discharge coefficient is also a function of height of flow, height of weir, weir thickness and crest shape. In this study, hydraulic characteristics of arced labyrinth spillways are numerically investigated. Here, the effect of crest shape on the discharge coefficient of the labyrinth spillway is included. In the first step, dimensionless parameters affecting the performance of arced weirs are introduced using Buckingham π theorem. To analyze this problem, a commercially available CFD code; Flow 3D by Flow Science; was selected. Flow 3D is known for its ability to accurately tracking free surface using Volume of Fluid (VOF) method. A similar method called Fractional Area to Volume Ratio (FAVOR) is used to define labyrinth within the model. Also, Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) equations are solved using a finite volume method. Besides, The Renormalized Group Theory (RNG) model was implemented for turbulent simulations. The laboratory data of Crookston and Tullis (2012a) is used to validate the numerical model. These researchers conducted experiments on physical modeling of the labyrinth spillways at the Utah Water Research Laboratory at Utah State University. Comparison of numerical simulations with those of experimental results validates the ability of this software to simulate the complex flow over labyrinth spillways with an acceptable accuracy. In this study, result of 16 geometry models was used to develop a hydraulic design and analysis formulation for arced labyrinth weirs. Discharge coefficient data for Half-Round, Quarter-Round, Sharp-crest and Flat-crest arced labyrinth weirs are presented for 6̊ ≤ sidewall angles ≤ 24̊ and various head water ratio (0.1≤ H0/P ≤ 0.9). The study has shown that half round crest shape could increase the discharge coefficient about 22% compared to other crest shapes. Also, the results show that factors such as local submergence and nappe interference near an upstream apex has a negative impact on performance of arced labyrinth weirs. The local submergence area is directly related to the flow head, crest shape and sidewall angle. For high head conditions, the local submergence may decrease the efficiency of a labyrinth spillway. Efficiency parameter is defined as the ratio of discharge of arced weir to that of liner weir with the same width. From efficiency curves indicates that reduce of sidewall angle can improve efficiency. As a result, the highest efficiency related to arced labyrinth spillway with sidewall angle (α = 6̊ ).

کلیدواژه‌ها English

Dam
Labyrinth weir
Crest shape
Discharge coefficient
Flow-3D
] Tullis, J.P., Amanian, N., and Waldron, D., “Design of labyrinth weir spillways”, American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 121(3), 1995, 247-255.
[2] Talor, G., “The performance of labyrinth weirs”, PhD thesis, university of Nottingham, Nottingham, England, 1968.
[3] Hay, N., Taylor, G., “Performance and design of labyrinth weirs”, American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 96(11), 1970, 2337-2357.
[4] Darvas, L.A, “Discussion of ‘Performance and design of labyrinth weirs,’ by Hay and Taylor”, American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 97(80), 1971, 1246-1251.
[5] Mayer, P.G, “Bartletts Ferry Project, labyrinth weir model studies”, Project No. E-20-610, Georgia Institute of Technology, Atlanta, 1980.
[6] Houston, K.L, “Hydraulic Model Study of the UTE Dam Labyrinth Spillway”, Report No. GR-82-7, U.S. Bureau of Reclamations, Denver, Colo, 1982.
[7] Lux, F., Hinchliff, D.L, “Design and construction of labyrinth spillways”, 15th Congress ICOLD, Vol. IV, Q59-R15, Lausanne, Switzerland, 1985, 249-274.
[8] Lux, F., “Design and application of labyrinth weirs”, Design of Hydraulic Structures 89, Edited by Alberson,M.l.,andKia,R.A.,Balkema/Rotterdam/Brookfield, 1989.
[9] قدسیان، م؛ شنـوایی، ح.، "تأثیر شکل تاج بر ضـریب آبگذری در سرریزهای کنگره­ای مثلثی شکل در پلان"، کنفرانس بین­المللی سازه­های هیدرولیکی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، 1380.
[10] قدسیان، م؛ شنـوایی، ح.، "تأثیر طول تاج بر ضریب آبگذری در سرریزهای کنگره­ای مثلثی با تاج ربع ­دایره"، چهارمین کنفرانس سدسازی، تهران، 1379.
[11] جعفری ندوشن، ا.، "بررسی ضریب آبگذری سرریزهای کنگره­ای به روش CFD و بهینه­سازی هندسه سرریز با استفاده از مدل فازی- عصبی و الگوریتم ژنتیک"، پایان نامه کارشناسی ارشد، سازه­های هیدرولیکی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، 1389.
[12] Khode, B.V., Tembhurkar, A.R., Porey, P.D., Ingle, R.N., “Experimental Studies on Flow over Labyrinth Weir”, American Society of Civil Engineering, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 138(6), 2012, 548-552.
[13] Crookston, B.M., Tullis, B.P., “Discharge Efficiency of Reservoir-Application-Specific Labyrinth Weirs”, American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 138(6), 2012, 564-568.
[14] سنگ سفیدی، ی.، "بررسی آزمایشگاهی ضریب آبگذری جریان در سرریزهای کنگره­ای قوسی با پلان ذوزنقه‌ای "، پایان نامه کارشناسی ارشد، سازه­های هیدرولیکی، دانشگاه تربیت مدرس، 1392.
[15] Christensen, N.A., “Flow Characteristics of Arced Labyrinth Weirs”, MSc thesis, Utah State University, Logan, Utah, 2013.
[16] Versteeg, H.K, Malalasekera, W, “An introduction to Computational Fluid Dynamics” The Finite Volume Method, Second Edition, 2007.
[17] F.Science, “Flow-3D User’s manual”, 2008.
[18] Hirt, C. W. and B. D. Nichols.,”Volume of fluid (VOF( method for the dynamics of free boundaries.” Journal of computational physics 39(1), 1981, 201-225.
[19] Crookston, B.M., Tullis, B.P.,“Arced Labyrinth Weirs”, American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 138(6), 2012, 555-562.
[20] Kumar, S., Ahmad, Z., Mansoor, T., Himanshu S.K., “Discharge Characteristics of Sharp Crested Weir of Curved Plan-form”, Research Journal of Engineering Sciences, 1(4), 2012, 16-20