مطالعه آزمایشگاهی تأثیر امتداد یافتگی دیواره مرکزی غیر مستغرق بر مشخصات جریان در خم 90 درجه تند و توسعه عددی حالات مختلف آن

بیشتر تحقیقات و مطالعات انجام گرفته بر روی قوس ها، مربوط به خم های ملایم است که درآن ها نسبت شعاع قوس (r) به عرض کانال (b)، بیشتر از 3 می باشد و در زمینه خم های تند تحقیقات قابل ملاحظه ای صورت نپذیرفته است در نتیجه لزوم بررسی بیشتر و کامل تر جریان در خم های تند و راهکارهای مقابله با پدیده های مشکل ساز آن احساس می شود بنابراین پایان نامه حاضر به بررسی این موضوع پرداخته است. تحقیقات حاضر شامل دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مدلسازی عددی می باشد که بر روی خم تند 90 درجه صورت پذیرفته است. مطالعات آزمایشگاهی بر روی سیستم ساخته شده توسط علی اکبر اختری در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد انجام پذیرفت و سرعت طولی در مقاطع و لایه های مختلف و همچنین عمق آب در طول کانال برداشت شده و تحلیل و نتیجه گیری بر روی داده های برداشتی صورت گرفت. جهت مقابله با مشکلات به وجود آمده در خم از روش نوین کارگذاری صفحات غیر مستغرق استفاده گردید. با توجه به مطالعات قبلی صورت گرفته روی این روش توسط اختری، احمدی و بهرامی، در پایان نامه حاضر صفحه غیر مستغرق، که درست در میانه عرض کانال و موازی با دیواره های کناری کار گذاشته شده، با طولی بیشتر از طول قوس، از 10 سانتی متر (معادل یک چهارم عرض کانال) قبل از قوس شروع شده و تا 10 سانتی متر بعد از انتهای قوس ادامه می یابد. جهت مدل سازی عددی نرم افزارهای گوناگونی تاکنون ارائه شده است که قابلیت های متفاوتی را شامل می شوند. یکی از تواناترین نرم افزارهای موجود در حال حاضر نرم افزار فلوئنت می باشد که بر پایه روش عددی احجام محدود بنا شده است. این برنامه طیف گسترده ای از جریان های سیالات از جمله جریان در کانال های باز را شامل شده و از تنوع مدل های آشفتگی فراوانی برخوردار می باشد. عملکرد این نرم افزار در مدل سازی دقیق جریان های ثانویه پیچیده تائید شده و تحسین برانگیز می باشد. در این تحقیق پس از برداشت، تنظیم و تحلیل نتایج آزمایشگاهی ابتدا سیستم آزمایشگاهی موجود در نرم افزار فلوئنت مدل گردید و نتایج حاصل از مدل سازی عددی در نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید که حاکی از دقت بسیار خوب این برنامه کامپیوتری در مدل کردن این نوع از جریان ها بود. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در قبل، معادله آشفتگی برای مدل سازی انتخاب گردید . پس از اطمینان از عملکرد مطلوب نرم افزار، با توجه به تحلیل های صورت گرفته در مدل های قبلی، 3 مدل پیشنهادی جدید شامل قوس با دیواره میانی از زاویه 45 درجه تا 20 سانتی متر (معادل شعاع قوس) پس از قوس، مدل با دیواره میانی ازانتهای قوس تا 30 سانتی متر (معادل 1/5 برابر شعاع قوس) پس از آن و قوس با دیواره میانی نامتقارن (شروع دیواره میانی در ابتدای قوس از نزدیک دیواره خارجی تا انتهای قوس نزدیک دیواره داخلی) در برنامه فلوئنت مدل گردید و نتایج حاصل از آن بررسی شد. در نهایت مقایسه پارامترهای سرعت طولی، عمق آب و جریان ثانویه میان مدل های متفاوت آزمایش شده و شبیه سازی شده صورت گرفته و نتایج ارائه شد. پایان نامه حاضر شامل 10 فصل می باشد که مطالب مشروحه فوق فصل اول آن را تشکیل می دهد، فصل دوم شامل پیشینه راهکارهایی است که تاکنون برای مقابله با معضلات به وجود آمده در خم ها استفاده شده است و فصل سوم ساختار جریان ثانویه به خصوص در خم های تند را تشریح می نماید. فصل چهارم معادلات حاکم استفاده شده در جریان خم ها را بیان کرده و فصل پنجم روش عددی احجام محدود را که پایه کار نرم افزار فلوئنت می باشد، بازگو می نماید. با توجه به استفاده از نرم افزار فلوئنت در مدل سازی عددی، فصل ششم حاوی مطالبی درباره چگونگی کار و روش مدل سازی با این برنامه می باشد. مدل آزمایشگاهی مورد استفاده و نتایج حاصل از مطالعات آزمایشگاهی و تحلیل های صورت گرفته در فصل هفتم تشریح شده است. روند شبیه سازی عددی و صحت سنجی نرم افزار در فصل هشتم بیان گردیده است. فصل نهم مدل های عددی توسعه یافته را تشریح کرده و نتایج حاصل را ارائه می کند و در نهایت فصل دهم به جمع بندی بین مدلهای مختلف پرداخته و پیشنهاداتی را برای آیندگان ارائه می نماید. نتایج نشان می دهد که از میان مدل های آزمایشگاهی و عددی مطالعه شده، مدل قوس با دیواره نامتقارن بهترین عملکرد را در کاهش اثرات مخرب جریان در قوس های تند دارد. این مدل توانسته است سرعت نزدیک دیواره خارجی و سرعت جریان ثانویه پس از قوس را به میزان مطلوبی کاهش داده، بالاآمدگی آب در دیواره خارجی قوس را نه تنها به طور کامل از بین برده است بلکه باعث کاهش عمق آب نسبت به جریان نرمال نیز شده است.