بررسی مشخصات هیدرولیکی جریان در سرریزهای خط جریانی

نویسندگان
دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
هدف از این تحقیق، مطالعه تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی جریان بر روی سرریزهای خط جریانی است. با توجه به اهداف تحقیق و به‏منظور ارزیابی نتایج مدل‏سازی‏های عددی حاصل از نرم‏افزار متن‏باز OpenFoam، مدل‏های آزمایشگاهی سرریزهای خط جریانی بر اساس تابع تبدیل ژوکوفسکی طراحی و در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفتند. با بررسی نتایج مدل‏های آشفتگی متفاوت، مدل k-ω SST به‏عنوان بهترین مدل آشفتگی، در شبیه‎سازی جریان عبوری از روی سرریزهای خط جریانی انتخاب شد. نتایج شبیه‏سازی‏های عددی به‏ازای دبی‏های مختلف و خصوصیات هندسی متفاوت، نشان داد که با افزایش دبی جریان و نیز افزایش میزان خروج از مرکزیت نسبی در رابطه ژوکوفسکی، سرعت بر روی تاج سرریز خط جریانی افزایش و به‏تبع آن فشار در این محل کاهش می‏یابد. کم‏ترین فشار در نتیجه بیشترین احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون مربوط به سرریز تاج‏دایره‏ای (نوعی سرریز خط جریانی با خروج از مرکزیت واحد) است. همچنین نتایج نشان داد که بیشترین تنش‏های برشی بستر و نیروهای فشاری در پایین‏دست سرریزهای تاج‏دایره‏ای رخ می‏دهند و در مقایسه با سرریزهای خط جریانی، بیشترین امکان فرسایش مربوط به پایین‏دست سرریزهای تاج‏دایره‏ای است. دلیل این امر وقوع امواج ضربه‏ای، کاهش عمق و افزایش سرعت جریان در پایین‏دست سرریزهای تاج‏دایره‏ای می‏باشد. علاوه بر این، کم‏ترین مقادیر تنش‏های برشی بستر در بالادست سازه، مربوط به سرریزهای تاج‏دایره‏ای است و درنتیجه این نوع سرریز نسبت به سایر انواع سرریزهای خط جریانی مستعد رسوب‏گذاری در بالادست خود می‏باشد. لذا براساس نتایج حاصل، بهره‏گیری از سایر انواع سرریزهای خط جریانی با انحنای مناسب، می‏تواند مشکلات رایج در سرریزهای تاج‎دایره‎ای را مرتفع سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Hydraulic Characteristics of flow over the streamlined weirs

نویسندگان English

S. Bagheri
A.R. Kabiri-Samani
چکیده English

The present study is subjected to analytical, numerical, and experimental simulation of hydraulic characteristics of flow over the streamlined weirs. Numerical simulations were performed using an open source software namely OpenFoam. According to the objectives of the present study, to evaluate the results of numerical modeling, experimental investigation was conducted, studying different models of streamlined weirs, experimentally. The profiles of the experimental models as well as the simulated numerical models were designed based on the Joukowsky transform function. By analyzing the results of different turbulence models including standard k-ε model, realized k-ε model, RNG k-ε model, k-ω SST model and Reynolds stress LRR model, the k-ω SST model was chosen as the most accurate numerical turbulence model for the simulation of flow over the streamlined weirs. The results of the numerical simulations for different flow discharges and different geometrical characteristics, indicated that, increasing the flow discharge and the relative eccentricity in Joukowsky transform function, tends to increase the velocity and consequently decrease the pressure over the weir crest. Therefore, the lowest pressure and the most probable potential of cavitation belongs to the circular-crested weirs with λ = 1 and high flow discharges. Furthermore, the results show that the greatest bed shear stresses and the compressive forces occur at the downstream end of the circular-crested weirs, thus the downstream zone of the circular-crested weirs is responsible to large values of bed erosion. This is partly due to formation of shock waves, reduction of the flow depth and enhanced velocity of flow downstream of the circular-crested weirs. Furthermore, the lowest bed shear stresses occur at the upstream end of the circular-crested weirs. Therefore, potential of sedimentation upstream of the circular-crested weirs increases. Accordingly, by employing streamlined weirs with λ< 1, and an appropriate curvature, unfavorable flow conditions would be improved, leading to a more safe and economic hydraulic structure. The present study is subjected to analytical, numerical, and experimental simulation of hydraulic characteristics of flow over the streamlined weirs. Numerical simulations were performed using an open source software namely OpenFoam. According to the objectives of the present study, to evaluate the results of numerical modeling, experimental investigation was conducted, studying different models of streamlined weirs, experimentally. The profiles of the experimental models as well as the simulated numerical models were designed based on the Joukowsky transform function. By analyzing the results of different turbulence models including standard k-ε model, realized k-ε model, RNG k-ε model, k-ω SST model and Reynolds stress LRR model, the k-ω SST model was chosen as the most accurate numerical turbulence model for the simulation of flow over the streamlined weirs. The results of the numerical simulations for different flow discharges and different geometrical characteristics, indicated that, increasing the flow discharge and the relative eccentricity in Joukowsky transform function, tends to increase the velocity and consequently decrease the pressure over the weir crest. Therefore, the lowest pressure and the most probable potential of cavitation belongs to the circular-crested weirs with λ = 1 and high flow discharges. Furthermore, the results show that the greatest bed shear stresses and the compressive forces occur at the downstream end of the circular-crested weirs, thus the downstream zone of the circular-crested weirs is responsible to large values of bed erosion. This is partly due to formation of shock waves, reduction of the flow depth and enhanced velocity of flow downstream of the circular-crested weirs. Furthermore, the lowest bed shear stresses occur at the upstream end of the circular-crested weirs. Therefore, potential of sedimentation upstream of the circular-crested weirs increases. Accordingly, by employing streamlined weirs with λ< 1, and an appropriate curvature, unfavorable flow conditions would be improved, leading to a more safe and economic hydraulic structure.

کلیدواژه‌ها English

Streamlined weir
Joukowsky transform
OpenFoam software
Velocity profile
Pressure distribution