دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
دانشکده مهندسی آب و خاک
پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته
سازه های آبی
مدلسازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با بهره گرفتن از نرمافزار Flow3D
استاد راهنما:
دکتر امیراحمد دهقانی
اساتید مشاور:
دكتر مهدی كاهه
دكتر عبدالرضا ظهیری
تابستان 1392
(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 سازه‌های ترکیبی سرریز- دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیهسازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازهها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با بهره گرفتن از نرمافزار Flow3D است. نرمافزارFlow3D یک نرمافزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار میگیرد. این مدل برای شبیه سازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدلسازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحتسنجی این نرمافزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازه های ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیهسازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیهسازی آبشستگی جریان از مدلهای مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با انتگرالگیریهای پروفیلهای سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه () و هد آب روی سرریز به طول سازه () گردید. مقایسه نتایج مدلسازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیهسازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.
کلمات کلیدی: جریان ترکیبی، سرریز- دریچه، آبشستگی، مدلسازی عددی، Flow3D.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………… 2
1-2 تعاریف……………………………………………………………………………………………………………………… 3
1-2-1 سرریزها………………………………………………………………………………………………………………… 3
1-2-2 دریچهها……………………………………………………………………………………………………………….. 3
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه………………………………………………………………………………………. 4
1-2-4 آبشستگی……………………………………………………………………………………………………………….. 6
1-3 ضرورت انجام تحقیق………………………………………………………………………………………………….. 9
1-4 اهداف تحقیق……………………………………………………………………………………………………………… 9
1- 5 ساختار کلی پایان نامه …………………………………………………………………………………………………. 10
فصل دوم: بررسی منابع
2-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………. 12
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان………………………………………………………………………………………… 12
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D…………………………………………………………………………… 16
فصل سوم: مواد و روشها
3-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………. 22
3-2 نحوه انجام آزمایشات…………………………………………………………………………………………………. 22
3-2-1 مخزن………………………………………………………………………………………………………………….. 23
3-2-2 پمپ……………………………………………………………………………………………………………………. 23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی………………………………………………………………………………………………….. 23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان…………………………………………………………………………………………… 24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز – دریچه…………………………………………………………………………….. 24
3-3 آنالیز ابعادی………………………………………………………………………………………………………………. 25
3-4 شبیهسازی عددی……………………………………………………………………………………………………….. 27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D……………………………………………………………………………………… 28
3-4-2 معادلات حاکم………………………………………………………………………………………………………. 32
3-4-3 مدلهای آشفتگی…………………………………………………………………………………………………… 33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای………………………………………………………………………………………. 35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای………………………………………………………………………………………. 35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای…………………………………………………………………………………………. 36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش…………………………………………………………………………………. 36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل…………………………………………………………………………………………….. 37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل……………………………………………………………………………………………… 38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان…………………………………………………………………………… 38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال…………………………………………………………………………………………….. 40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل…………………………………………………………………………………….. 41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان……………………………………………………………………………………………. 43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل……………………………………………………………………………………………….. 43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………. 46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب……………………………………………………………. 46
4-2-1 واسنجی نرمافزار……………………………………………………………………………………………………. 46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ………………………………………………………………………………………………… 48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز – دریچه بر هیدرولیک جریان………………. 54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان…………………………………………………………………………… 59
4-3-1 واسنجی نرمافزار……………………………………………………………………………………………………. 59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار…………………………………………………………………………………………. 61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………. 70
5-2 نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………… 70
5-3 پیشنهادها………………………………………………………………………………………………………………….. 71
منابع………………………………………………………………………………………………………………………………… 74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان……………………………… 25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D……………………………………………………………………………….. 28
ادامه جدول 3-2……………………………………………………………………………………………………………….. 29
جدول 3- 3 محدوده داده های به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی………………………………………… 38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار…………………………………………………………………… 40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار…………………………………………………………………… 41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب…………. 42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)………………………………………………………… 51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها……….. 55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی………………………………………… 60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی……………………………………………….. 60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی…………………………………………………………. 61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی…………………………. 61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی……………………………. 61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)………………………………………………………… 65
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه. 5
شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازه های هیدرولیکی. 8
شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی. 12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی. 12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386) 14
شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987) 14
شکل 2- 5 فرایند پر و خالی شدن حفره آبشستگی درحین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک.. 23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک.. 24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان. 25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب.. 26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی. 30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه. 30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه. 30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض… 31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه 31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک.. 39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ.. 40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب.. 40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب.. 41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان. 43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی. 43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی. 46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و داده های آزمایشگاهی. 47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با داده های آزمایشگاهی. 49
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه 49
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی. 52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با بهره گرفتن از مدل RNG k-ε. 53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با بهره گرفتن از مدل RNG k-ε. 53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه. 54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه. 54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی. 54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی. 55
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی. 56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض… 57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض… 57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض… 58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض… 58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با بهره گرفتن از مدلهای مختلف آشفتگی. 59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی. 62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی. 62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک.. 63
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی. 65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی. 66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان) 66
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی. 68
– مقدمه
یكی از عمده‌ترین مشكلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچهها و حوضچه‌های آرامش كه در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است كه علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممكن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اكثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی كردهاند كه با وجود تمام دستآوردهای مهمی كه تاكنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچهها، سرریزها، شیب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود كه می‌تواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه كند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد كه تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حركت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است كه عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پاییندست سازه تأثیرگذار هستند كه از جمله آنها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره كرد (کوتی و ین[1] (1976)، بالاچاندار[2] و همکاران (2000)، کلز[3] و همکاران (2001)، لیم و یو[4] (2002)، فروک[5] و همکاران (2006)، دی و سارکار[6] (2006) و ساراتی[7] و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهای باز مورد استفاده قرار می گیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازه های پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچهها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
یکی از سازه های مهم هر سد را سرریزها تشکیل می دهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازه گیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام می دهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهره برداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیم بندی میكنند. این مشخصه می تواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخلیه باشد. بر حسب اینكه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای كنترلدار و یا سرریزهای بدون كنترل شناخته میشوند.
دریچهها سازه هایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا كنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده می شود و از لحاظ ساختمان به گونه ای میباشند كه در حالت بازشدگی كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسیر جریان خارج میگردد.
دریچهها در سدهای انحرافی و شبکه های آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک[8] و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار می گیرند.
بر اساس کاری که انجام می دهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهره برداری قرار می گیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده می شود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترل کننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار می کند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل می نماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با بهره گرفتن از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.
بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایه های پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
تعداد صفحه : 102
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