بررسی تأثیر تنگ شدگی های قائم ورودی بر روی مشخصات هیدرولیکی شیب شکن قائم با استفاده از مدل عددی

نوع مقاله: یادداشت تحقیقاتی

نویسندگان

1 University of Zanjan, Zanjan, 45371 - 38791, Iran

2 گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه مراغه، ایران

3 گروه مهندسی عمران، دانشگاه زنجان

چکیده

شیب شکن های قائم، سازه هایی هستند که در کانال های آبیاری، زهکشی، جمع آوری آب های سطحی استفاده می‌‌شوند. در تحقیق حاضر به بررسی عددی اثرات تنگ شدگی های قائم ورودی بر روی مشخصات هیدرولیکی شیب شکن با استفاده از نرم افزار FLOW-3D پرداخته شده است. در گام اول برای انتخاب بهترین مدل آشفتگی از دو نوع مدل آشفتگی جریان k-e و RNG k-e استفاده گردید. در گام بعدی از چهار آرایش تنگ شدگی 2 و 0.875 ،0.5 ،0.312 =S/H (نسبت فاصله ی تنگ شدگی ها به ارتفاع شیب شکن) در مقایسه با حالت بدون تنگ شدگی در شرایط جریان زیربحرانی استفاده گردید. نتایج نشان داد که مدل آشفتگی RNG k-e با درصد خطای نسبی و RMSE کمتری نسبت به مدل k-e ، کارایی بیشتری برای شبیه سازی پارامترهای هیدرولیکی روی شیب شکن ها داشت. بر اساس نتایج بدست آمده مشاهده شد که تنگ شدگی قائم در بهینه ترین حالت در مقایسه با حالت بدون تنگ شدگی باعث کاهش مقادیر نسبی عمق آب استخر تشکیل شده در پای شیب شکن،، عمق آب پایین دست و انرژی باقیمانده‌‌ی نرمال به ترتیب به مقدارهای 31/42 %، 47.23 % و 23.59 % می گردد. وجود تنگ شدگی قائم ورودی، باعث افزایش سرعت در لبۀ شیب شکن می شود و به همین دلیل با افزایش تلاطم جریان در اثر سقوط جت های تقسیم شدۀ جریان و ایجاد ناحیۀ بیشتری از اختلاط آب و هوا، باعث کاهش انرژی جنبشی پایین دست می گردد. روابطی نیز برای عمق نسبی آب استخر، عمق نسبی آب پایین دست و انرژی باقیمانده ی نرمال، با ضرایب همبستگی بالا ارائه گردید که با نتایج سایر محققین تطابق خوبی دارد.

کلیدواژه‌ها


تربن، س.ع.، و مشکاتی، س.م.ه.  (1393). "شبیه­سازی عددی اثرات هیدرولیکی شیب­شکن قائم در یک کانال مستطیلی". دو فصلنامه علمی تخصصی مهندسی آب، (3)1، ص‌ص. 55-66.

تقی­زاده، ح.، و صالحی نیشابوری، ع.ا. (1393). "بررسی عددی الگوی رفتاری جریان روی سرریزهای سه جانبی"، مجله پژوهش آب ایران، (8)14، ص‌ص. 211-215.

کاتورانی، س.، و کاشفی­پور، س.م. (1392). "اثر مشخصات هندسی مانع و شیب کف دراپ روی شرایط هیدرولیکی جریان در دراپ­های مانع­دار"، مجله علوم و مهندسی آبیاری، 37(2)، ص‌ص. 51-59.

Bakhmeteff, M.W. (1932). "Hydraulics of open channels". New York and London, McGraw-Hill book company, Inc.

Chamani, M., and Beirami, M. K. (2002). "Flow characteristics at drops". Journal of Hydraulic Engineering, 128(8), 788-791.

Chamani, M. R., Rajaratnam, N., and Beirami, M. K. (2008). "Turbulent jet energy dissipation at vertical drops". Journal of hydraulic engineering, 134(10), 1532-1535.

Chanson, H. (1994).  "Hydraulics of nappe flow regime above stepped chutes and spillways". Australian Civil Engineering Transactions, IEAust, 36(1), 69-76.

Daneshfaraz, R., Joudi, A. R., Ghahramanzadeh, A., and Ghaderi, A. (2016). "Investigation of flow  pressure  distribution  over  a  stepped  spillway", Advances  and  Applications  in  Fluid 334 Mechanics, 19(4), 811.

Daneshfaraz, R., Ghahramanzadeh, A., Ghaderi, A., Joudi, A. R., and Abraham, J. (2016). "Investigation of the Effect of Edge Shape on Characteristics of Flow under Vertical Gates". Journal‐American Water Works Association, 108(8), 425-432.

Daneshfaraz, R., and Ghaderi, A. (2017). "Numerical Investigation of Inverse Curvature Ogee Spillway", Civil Engineering Journal, 3(11), 1146-1156.

Esen, I. I., Alhumoud, J. M., and Hannan, K. A. (2004). "Energy Loss at a Drop Structure with a Step at the Base". Water international, 29(4), 523-529.

Farouk, M., and Elgamal, M. (2012). "Investigation of the performance of single and multi-drop hydraulic structures."International Journal of Hydrology Science and Technology, 2(1), 48-74.

Gill, M. A. (1979). "Hydraulics of Rectangular Vertical Drop Structures". Journal of Hydraulic Research, 17(4), 289-302.

Grant, D.M. and Dawson, B.D. (1998). "Open Channel Flow Measurement Handbook". 5th ed. ISCO Inc.

Hong, Y. M., Huang, H. S., and Wan, S. (2010). "Drop characteristics of free-falling nappe for aerated straight-drop spillway". Journal of Hydraulic Research, 48(1), 125-129.

Kabiri-Samani, A. R., Bakhshian, E., and Chamani, M. R. (2017). "Flow characteristics of grid drop-type dissipators". Flow Measurement and Instrumentation, 54, 298-306.

Liu, S. I., Chen, J. Y., Hong, Y. M., Huang, H. S., and Raikar, R. V. (2014). "Impact Characteristics of Free Over-Fall in Pool Zone with Upstream Bed Slope". Journal of Marine Science and Technology, 22(4), 476-486.

Lin, C., Hwung, W. Y., Hsieh, S. C., and Chang, K. A. (2007). "Experimental study on mean velocity characteristics of flow over vertical drop."Journal of Hydraulic Research, 45(1), 33-42.

Moore, W. L. (1943). "Energy loss at the base of a free overfall". Transactions of the American Society of Civil Engineers, 108(1), 1343-1360.

Moghaddam, M.A.A. (1999). "Modified theory for rectangular vertical drop structures". Unpublished report.

Mansouri,R., and Ziaei, A.N. (2014). "Numerical modeling of the flow in the vertical drop with inverse apron". 11th International Conference on Hydroinformatics, New York City, USA.

Rouse, H. (1936). "Discharge characteristics of the free overfall: Use of crest section as a control provides easy means of measuring discharge". Civil Engineering, 6(4), 257-260.

Rand, W. (1955). "Flow geometry at straight drop spillways". In Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 81(9), 1-13.

Rajaratnam, N. and Chamani, M. R. (1995). "Energy Loss at Drops". Journal of Hydraulic Research, 33(3), 373-384.

Simsek, O., Akoz, M.S. and Soydan, N.G. (2016). "Numerical validation of open channel flow over a curvilinear broad-crested weir", Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, Vol. 16, No. 6, pp. 364-378.

USBR. (2001). "Water Measurement Manual". 3rd ed., US Government Printing Office Washington DC.

Versteeg, H. K., and Malalasekera, W. (2007). "An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method". Pearson Education.

White, M.P. (1943). "Discussion of Moore (1943)". ASCE, 108, 1361-1364.

Wu, S. and Rajaratnam, N. (1997). "Impinging Jet and Surface Fiow Regimes at Drops". Journal of Hydraulic Engineering, 36(1), 69-74.

Zahabi, H., Torabi, M., Alamatian, E., Bahiraei, M., and Goodarzi, M. (2018). "Effects of Geometry and Hydraulic Characteristics of Shallow Reservoirs on Sediment Entrapment". Water, 10(12), 1725.