پایان نامه : مدل‌سازی عددی هیدرولیك جریان و آبشستگی در پایین‌دست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با بهره گرفتن از نرم‌افزار Flow3D

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 هیدرولیك 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 سازه­های 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 نتیجه­گیری………………………………………………………………………………………………………………… 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 داده­های 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 سازه­های 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 فرآیند 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 داده­های آزمایشگاهی. 47

شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با داده­های 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- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بی­بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Q_s / Q_g) 51

شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبی­های نرم­افزار و مشاهداتی. 52

شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبی­ها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه  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 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباض­های جانبی مختلف سازه رکیبی  56

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- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بی­بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Q_s/Q_g) برای بستر رسوب.. 64

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 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پایین­دست سازه ترکیبی سرریز-  دریچه در ابتدای اجرای برنامه  67

شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بی­بعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Q_s/Q_g) برای بستر رسوب و بستر صلب.. 67

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 می­گیرند. 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 سازه­های 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.

1-2 تعاریف

1-2-1 سرریزها

یکی از سازه­های 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 می­دهند، 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 تقسیم­بندی 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.

1-2-2 دریچه­ها

دریچه­ها سازه­هایی 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 می­شود و از لحاظ ساختمان به گونه­ای 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 می­گیرند.

بر اساس کاری که انجام می­دهند: دریچه­های اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهره ­برداری قرار می­گیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده می­شود.

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 می­نماید. 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 :        *       asa.goharii@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.