دانشگاه ارومیه
دانشكده فنی مهندسی
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
مهندسی عمران – سازههای هیدرولیکی
عنوان :
تحلیل عددی جریان در نزدیکی رمپ هواده سرریز تونلی
استاد راهنما
آقای دکتر محمد منافپور
استاد مشاور
آقای دکتر میرعلی محمدی
بهمن 93
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
در سدهای بلند سرریزها به عنوان یکی از سازههای هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیهی سیلابهای ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پاییندست، به عهده دارند. در سرریزهای تونلی که جریان با سرعت بالا و اغلب تحت فشار برقرار میباشد، به دلیل زبری جداره بتنی سرریز و وجود درزها و انحنا در مسیر تونل احتمال جدایش جریان از جداره افزایش یافته و در نتیجه وقوع پدیده کاویتاسیون و تخریبات ناشی از آن محتمل میباشد. محققین تحقیقات زیادی در خصوص چگونگی حذف یا کاهش احتمال وقوع پدیدهی کاویتاسیون و خسارات ناشی از آن در سرریزهای بلند انجام دادهاند و هوادهی جریان را یکی از موثرترین روشها جهت پیشگیری از این پدیده بیان نموده اند. مدلسازی جریان به صورت عددی در سرریزهای تونلی تحت فشار به همراه سازه هواده و مطالعات مربوط به وضعیت جریان دو فازی آب و هوا در این سرریزها بسیار اندک میباشد. لذا شناخت و درک بیشتر میدانهای فشار و سرعت جریان در نزدیکی سازه هواده سرریز تونلی تحت فشار و تاثیر هندسه رمپ هواده و درصدهای مختلف هوادهی بر روی جریان به مطالعات بیشتری نیاز دارد.
در این تحقیق جریان عبوری از روی رمپ تعبیه شده در کف داکت تحت فشار به صورت عددی و به کمک نرمافزار Fluent در حالت دو بعدی و سه بعدی مدل سازی شده است. جهت اعتبار سنجی عملکرد مدل عددی از نتایج آزمایشگاهی منافپور (2004) استفاده گردید. جهت مدل کردن توربولانس جریان در حالت بدون هوادهی از مدل توربولانسی انتقال تنش برشی (SST) و در حالت با هوادهی از RNGk-ε در محدوده عدد رینولدز 3.1*104<Re<6.2*104 استفاده شده است. تعیین مشخصههای هیدرولیکی جریان و تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر روی آنها در حالت بدون هوادهی و تاثیر ورود هوا بر روی مشخصههای هیدرولیکی جریان با توجه به اعداد بدون بعد درگیر در مسائل تحت فشار مورد بررسی قرار گرفته است.
مقایسه نتایج مدل عددی و آزمایشگاهی بیانگر دقت مناسب مدل عددی در پیش بینی الگوی دو بعدی و سه بعدی جریان یک فازی و دو فازی میباشد. در حالت بدون هوادهی با افزایش ارتفاع نسبی رمپ (tr/d) و زاویه رمپ (q) به علت افزایش سرعت جت پرتابی آب، طول اتصال مجدد و شدت توربولانسی جریان افزایش و ضریب فشار مینیمم جریان (CP min) واقع در ابتدای ناحیه چرخش پاییندست رمپ کاهش مییابد. با ورود هوا به جریان نه تنها ناحیه چرخش جریان آب بلافاصله پاییندست رمپ با هوای تزریقی پر شده بلکه طول کاویتی تشکیل شده بیشتر از طول ناحیه چرخش جریان در حالت بدون هوادهی میگردد. همچنین با افزایش درصد هوای ورودی به جریان، افزایش قابل توجهی در ضرایب فشار، مقادیر فشار استاتیک و سرعت جریان دیده می شود. اما به دلیل کاهش نوسانات سرعت توسط هوای ورودی به جریان از شدت توربولانسی جریان کاسته می شود.
واژه های کلیدی: سرریز تونلی، کاویتاسیون، مشخصههای هیدرولیکی، هوادهی، شبیه سازی عددی
فهرست مطالب
2-2 تعاریف و اصول اساسی حاکم بر پدیده کاویتاسیون 7
2-2-1 پدیده کاویتاسیون و چگونگی وقوع آن 7
2-2-2 علل وقوع پدیده کاویتاسیون 8
2-3 تاثیرات و خسارات ناشی از کاویتاسیون در سرریزها 10
2-3-2 مکانیسم تخریب ناشی از وقوع کاویتاسیون 11
2-4 روش های پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون 12
2-4-1 اصلاح بتن و استفاده از مواد خاص 13
2-5-1 تقسیم بندی کلی هوادهی جریان 15
2-5-2 تاثیرات هوادهی جریان در سرریزها 18
2-6 تحقیقات صورت گرفته در رابطه با هوادهی 19
3-3-1 مدل و شرایط آزمایشگاهی 42
3-3-2 معرفی نرمافزار Fluent 45
3-3-3 هندسه و شبکه بندی مدل عددی 51
3-3-4 شرایط مرزی و شرایط اولیه 54
4 نتایج تحلیل عددی جریان – بدون هوادهی 59
4-2 صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی 59
4-3 تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر روی مشخصه های هیدرولیکی جریان 66
4-3-1 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر روی طول اتصال مجدد 66
4-3-2 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر CP min 68
4-3-3 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی 69
4-4 پروفیل های سرعت جریان عبوری از روی رمپ 70
5 نتایج تحلیل عددی جریان – با هوادهی 77
5-2 صحت سنجی نتایج حاصل از مدل عددی 77
5-3 تاثیر ابعاد هندسی رمپ بر پارامترهای جریان 86
5-3-1 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر طول کاویتی 86
5-3-2 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر CP min 87
5-3-3 تاثیر افزایش ارتفاع و زاویه رمپ بر شدت توربولانسی 88
5-4 تاثیر هوادهی بر مشخصه های جریان 90
5-4-2 ضریب فشار مینیمم CP min 93
5-5 کارایی مدل های عددی دو بعدی و سه بعدی در شبیه سازی جریان عبوری از روی رمپ 103
فصل اول
مقدمه
1 مقدمه
1-1 مقدمه
بشر از دیرباز با ساخت سدها جهت رفع نیازهای آبی خود آشنا بوده است. از قرن گذشته با گسترش علم و تکنولوژی، ساخت انواع مختلف سدهای بلند با مهار جریانهای سطحی جهت تأمین نیازهای آب کشاورزی، صنعتی، شرب و کنترل سیلاب و تولید نیروی برقآبی توسعه یافت. در این سدها سرریز به عنوان یکی از سازههای هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیهی سیلابهای ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پاییندست را به عهده دارد. یکی از مشکلات عمده مطرح در سرریز سدهای بلند مسئلهی احتمال وقوع پدیدهی کاویتاسیون و تخریبهای ناشی از آن در بستر و جدارهی بتنی سرریزهاست که نه تنها عملکرد هیدرولیکی این سازهها و سد را دچار اخلال می کند بلکه خسارات قابلتوجهی را به سازهی سرریز وارد می کند. ازجمله سرریزهایی که در اثر بروز این پدیده دچار آسیب گردیدهاند میتوان به سرریز تونلی سد گلن کانیون[1] در آمریکا و سرریز آزاد سد کارون1 در کشورمان اشاره نمود.
در سرریز سدهای بلند به دلیل بالا بودن سرعت جریان (بیش از m/s 20) هرگونه تغییر در هندسهی مجرا، زبری بستر و جدار، انحنا در مسیر جریان و وجود درزهای اجرایی در جدار موجب جداشدگی جریان از جدارهی مجرا و کاسته شدن موضعی فشار از میزان فشار بخار آب میگردد. در این صورت با بروز پدیدهی کاویتاسیون، آب در دمای محیطی خود از حالت مایع به حالت به بخار تبدیل و حبابهای کاویتاسیون (حبابهای بخار آب) تشکیل میشوند که با حرکت همراه آب به مناطق با فشار بالا از بین میروند. اضمحلال این حبابهای کاویتاسیون که توأم با تولید موجهای فشاری قوی ناشی از انفجار حبابها و آزاد شدن مقدار قابل توجه انرژی میباشد، اگر در نزدیکی جدارهی سرریز رخ دهد باعث فرسایش و خوردگی سطح بتنی سرریز گردیده و در صورت تداوم، خسارات هنگفتی را به جداره و سازه وارد می کند.
تحقیقات صورت گرفته در زمینهی بررسی پدیدهی کاویتاسیون و روشهای پیشگیری از آن در سرریزها نشان داده است که استفاده از بتن مقاوم و اصلاح انحنا و جداره جریان، سرریزهای پلکانی و هوادهی به جریان از روشهای مناسب جهت پیشگیری وقوع این پدیده و کاهش خسارات ناشی از آن میباشند که در این بین موثرترین و اقتصادیترین روش برای پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از این پدیده، هوادهی میباشد.
ورود هوا به داخل جریان در سرریزها باعث تغییر بسیاری از خصوصیات جریان می شود که از جمله آنها میتوان به تغییرات در چگالی جریان، تغییرات سرعت و فشار و تغییر وضعیت توربولانسی جریان اشاره کرد که برخی از این تغییرات مفید و برخی دیگر برای سیستم هیدرولیکی مورد مطالعه مضر میباشند.
هزینه گزاف و مدت زمان طولانی احداث سازههای هیدرولیکی و توجه به اینکه هنوز انجام آزمایش کماکان به عنوان دقیقترین روش در بررسی مسائل و مشکلات پیش روی اینگونه سازهها مطرح میباشد، محققان و طراحان را بر آن داشته تا با شبیه سازی جریان واقعی بر روی مدلهای فیزیکی و انجام آزمایشات گوناگون در پی مرتفع کردن مشکلات و مسائل مذکور باشند. بدین دلیل استفاده از مدلهای عددی در دهههای اخیر بسیار توسعه یافته است.
مهمترین امتیاز یک برآورد محاسباتی عددی، هزینه پایین و سرعت قابل ملاحظه آن است. همچنین حل عددی مسائل، اطلاعات کامل و جزئیات لازم را به ما خواهد داد و مقادیر متغیرهای مربوطه را در سراسر حوزه مورد مطالعه به دست میدهد. برخلاف شرایط نامطلوبی که ضمن آزمایش پیش میآید، مکانهای غیرقابل دسترس در کارهای محاسباتی عددی کم میباشد. بدیهی است از هیچ بررسی آزمایشگاهی نمیتوان انتظار داشت تا تمام متغیرهای دخیل در پدیده مورد مطالعه را در کل میدان جریان اندازه گیری نماید بنابراین جهت تکمیل اطلاعات آزمایشگاهی، حل عددی هم زمان نیز ضرورت پیدا می کند.
1-2 بیان مسئله
سالهای مدیدی است که حوادث مربوط به پدیدهی کاویتاسیون ذهن مهندسان را در نقاط مختلف جهان به خود معطوف کرده است. پدیدهی کاویتاسیون پدیدهی نام آشنایی است که در اکثر سازههای هیدرولیکی که در معرض جریانهایی با سرعت بالا قرار دارند ازجمله سرریز سدها، به عنوان یک خطر و چالش بزرگ مهندسی تلقی میشود. البته لازم به ذکر است که عامل موثر بر روی این پدیده تنها به سرعت محدود نمیشود و وجود مجموعهای از عوامل متعدد منجر به وقوع این پدیده میگردد.
در سرریزهای بلند در نواحی انتهایی، سرعت جریان فوقالعاده افزایش و عمق جریان کاهش مییابد. ترکیب این عوامل باعث کاهش شاخص کاویتاسیون[2] میگردد. در نتیجه نقطهای از سازه با نامنظمی نرمال میتواند تبدیل به نقطهی شروع کاویتاسیون در سازه گردد. در چنین حالتی این امکان وجود دارد که با کاهش سرعت جریان و یا با افزایش فشار جریان در مرزها از وقوع این پدیده جلوگیری کرد. توجه به این امر ضروری است که شکل هندسی سرریز نیز در وقوع و یا عدم وقوع پدیدهی کاویتاسیون نقش قابل ملاحظهای ایفا میکند. برای جلوگیری از وقوع پدیدهی کاویتاسیون باید موقعیت نقاطی را که در آن ها ممکن است با افزایش سرعت، فشار تا حد فشار بخار مایع کاهش مییابد، شناسایی کرد.
هوادهی جریان به عنوان عامل موثر در از بین بردن یا کاهش تخریبهای ناشی از کاویتاسیون در سرریزهای آزاد و تونلی تحتفشار، تاثیر قابل توجهی بر روی ساختار هیدرولیکی جریان از جمله میدانهای فشار و سرعت داشته و در سالهای اخیر شناخت صحیح الگوی جریان و تاثیرات ناشی از هوادهی در سرریزهای تحتفشار دارای سیستم هواده، از جمله مباحث مورد مطالعه تعدادی از محققین بوده و به علت پیچیدگی خاص جریانهای دو فازی و روشن نبودن دقیق ارتباط میان هوادهی جریان با کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون، هنوز به مطالعات دامنهداری در خصوص این موضوع نیاز میباشد.
[1] Glen Canyon
[2] Cavitation Index
تعداد صفحه : 144
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * parsavahedi.t@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید