تاثیر عدد فرود بالادست بر میدان جریان کانال U شکل با سرریز-جانبی در شرایط فوق‌بحرانی

نویسندگان
1 استادیار
2 دانشجوی کارشناسی ارشد
چکیده
به دلیل ساختار هیدرولیکی کانال‌های U شکل این نوع مجاری بعنوان مقطع مبدل کانال‌های مستطیلی و دایروی دریچه‌های آدم‌رو و نیز به همراه سرریزهای جانبی در شبکه دفع فاضلاب، سیستم‌های آبیاری، محافظت سیلاب و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این نوع کانال‌ها رژیم جریان می‌تواند در شرایط فوق‌بحرانی باشد. در مطالعه حاضر، میدان جریان آشفته و سطح آزاد جریان در یک کانال U شکل دارای سرریزجانبی در شرایط فوق‌بحرانی با استفاده از نرم‌افزار فلو‌تری‌دی، مدل آشفتگی RNG و طرح VOF شبیه‌سازی شده-است. مقایسه بین نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل عددی، سطح آزاد و مشخصات میدان جریان را با دقت قابل قبولی شبیه‌سازی می‌نماید. در ادامه، اثر عدد فرود بالادست سرریزجانبی بر روی الگوی جریان کانال اصلی مورد بررسی قرار‌گرفت. در کانال‌های U شکل با سرریز‌جانبی برای کلیه عددهای فرود، در مجاورت دیواره داخلی یک افت سطح آزاد در ابتدای بالادست سرریز بوقوع پیوسته و پرش سطحی در یک چهارم انتهایی طول دهانه سرریزجانبی اتفاق افتاد. در امتداد پرش سطحی انرژی پتانسیل کاهش و در مقابل انرژی جنبشی افزایش یافت. علاوه بر آن، با افزایش مقدار عدد فرود، عرض صفحه جدایش جریان و ابعاد ناحیه سکون زیاد و اندازه زاویه ریزشی جت جریان کاهش می‌یابد. برای همه عدد فرودها همواره، حداکثر مقدار سرعت عرضی تقریبا در انتهای پائین‌دست سرریزجانبی بوقوع پیوسته‌است. بر اساس نتایج شبیه‌سازی، حداکثر مقدار تنش برشی در محور مرکزی کانال اصلی واقع در وسط دهانه سرریزجانبی بوقوع پیوسته و در مقابل حداقل آن در زیر ناحیه ایستایی و در انتهای پائین‌دست سرریزجانبی اتفاق افتاده‌است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

The upstream Froude number effect on the flow field of the U-shaped channel along the side weir in the supercritical flow regimes

نویسندگان English

MITRA JAVAN 1
Afshin Eghbalzadeh 1
HAMED AZIMI 2
MITRA JAVAN 1
1 Assistant Professor
2 M.S. Student
چکیده English

The U-shaped channels are applied as transition cross-section from rectangular to circular in manholes. Also the U-shaped channels along the side weirs are used in the sewage networks, irrigation-drainage systems, flood protection and etc. The flow in the main channel along the side weir can be the supercritical conditions. In this study, the free surface flow in the supercritical regime has been simulated by FLOW-3D software, RNG model and volume of fluid (VOF) scheme in a U-shaped channel along the side weir. The comparison between the numerical and experimental results showed that the numerical simulation predicted the free surface flow with the reasonable accuracy. Generally, the flow depth decreases with distance from the upstream end of the side weir towards the downstream end in the U-shaped channel. The APE and RMSE of the water surface profile along the side weir have been computed 1.7% and 0.213%, respectively. Also, the APE and RMSE were respectively 3.8% and 0.0177% for the discharges over the side weir. In continue, the effects of the upstream Froude number on the flow pattern in the main channel were investigated. For all Froude numbers, because of entrance effects, a free surface drop occurred at the upstream end of the side weir and the water depth gradually reduced toward the downstream end. Then, a surface jump happened at the last fourth of the side weir length in vicinity of the inner bank. Unlike the potential energy, the kinetic energy increases along the surface jump. Also, a stagnation point is created at the end of the surface jump. The height of this stagnation point increases with increasing the Froude numbers. In addition, the dividing stream surface and stagnation zone were respectively produced near the inner and outer bank in the main channel along a side weir. The dividing stream surface reduces from channel bottom toward the side weir crest then increases to the flow surface. Also, the dimensions of the dividing stream surface and stagnation zone increased with increasing Froude number. The maximum lateral flow in the U-shaped channel occurs almost at the downstream end of the side weir. The transverse velocity increases at each cross-section of the main channel with increasing Froude number. The angle of the spilling jet was close to 90° at the upstream and downstream of the side weir crest and the pattern of spilling jet angle is similar for all Froude numbers. The minimum angle of the spilling happens approximately at the downstream of the side weir crest however, the minimum decreases with increasing Froude number. The pattern of the bed shear stress can be used to prediction of the areas of the scour and sedimentation in the alluvial channels. In the U-shaped channel along a side weir, the bed shear stress increases along the main channel axis form the beginning of the side weir toward the middle then decreases toward the downstream end. Generally, with increasing Froude number, the bed shear stress increases in the main channel along the side weir.

کلیدواژه‌ها English

Supercritical flow
U-shaped channel
Side weir
Numerical simulation
Froude number
  1. Yüksel E. 2004 Effect of specific energy variation on lateral overflows. Flow Measurment and Instrumentation, 15(5-6), 259-269.

  2. Emiroglu M. E., Agaccioglu H. & Kaya N. 2011 Discharging capacity of rectangular side weirs in straight open channels. Flow Measurment and Instrumentation, 22(4), 319-330.

  3. Bagheri S. & Heidarpour M. 2012 Characteristics of Flow over Rectangular Sharp-Crested Side Weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 138(6), 541-547.

  4. Novak G., Kozelj D., Steinman F. & Bajcar T. 2013 Study of flow at side weir in narrow flume using visualization techniques. Flow Measurment and Instrumentation,  29, 45-51.

  5. Hager W. H. 1994 Supercritical Flow in Circular-Shaped Side Weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering,  120(1), 1-12.

  6. Ghodsian M. 2003 Supercritical Flow over a Rectangular Side Weir. Canadian Journal of Civil Engineering, 30, 596-600.

  7. Mizumura K., Yamasaka M. & Adachi J. 2003 Side Outflow from Supercritical Channel Flow. Journal of Hydraulic Engineering, 129(10), 769-776.

  8. Pathirana K. P. P., Munas M. M. & Jaleel A. L. A. 2006 Discharge Coefficient for Sharp-Crested Side Weir in Supercritical Flow. Journal of the Institution of Engineers, 39(2), 17-24.

  9. Rao K. H. & Pillai C. R. 2008 Study of flow over side weirs under supercritical conditions. Water Resources Management, 12, 131–143.

  10. Coonrod J., Ho J. & Bernardo N. 2009 Lateral outflow from supercritical channels." Proc., 33rd International Association of Hydraulic Engineering & Research (IAHR) Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, IAHR, Madrid, Spain, 123-130.

  11. Hager W. H., Hager K., & Weyermann H. 1983 Die hydraulische Berechnung von Streichwehren in Entlastungsbauwerken der kanalis ationstechnik. Gas-Wasser-Abwasser. 63, 309-329. (In German)

  12. Uyumaz A. 1997 Side weir in U-shaped channels. Journal of Hydraulic Engineering, 123(7), 639-646.

  13. Vatankhah A. R. 2013 Water surface profiles along a rectangular side weir in a U-shaped channel. Journal of Hydrological Engineering, 18(5), 595-602.

  14. Qu J. 2005 Three dimensional turbulence modeling for free surface flows. PhD thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

  15. Tadayon R. 2009 Modeling Curvilinear Flows in Hydraulic Structures. PhD thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

  16. Aydin M. C. 2012 CFD simulation of free-surface flow over triangular labyrinth side weir. Advances in Engineering Software, 45, 159–166.

  17. Aydin M. C. & Emiroglu M. E. 2013 Determination of capacity of labyrinth side weir by CFD. Flow Measurment and Instrumentation,  29, 1-8.

  18. FLOW 3D User’s Manual. 2011. Version 10.0. Flow Science Inc.


Neary V.S., Odgaard A. & Sotiropoulos F. 1999 Three-dimensional numerical model of lateral-intake inflows. Journal of Hydraulic Engineering, 125(2), 126-140