توسعه مدل سه بعدی جریان در آبگیری از قوس با مدل آشفتگی تنش جبری

در این تحقیق الگوی جریان در آبگیری از کانال های مستقیم و قوسی شکل به کمک یک مدل آشفتگی غیرایزوتروپ، جهت بررسی دقیق تر فیزیک این فرآیند با استفاده از توسعه مدل عددی، شبیه سازی و به یک مدل سه بعدی موجود قابلیت های موردنظر در دو فاز افزوده شده است. این مدل، معادلات ناویراستوکس را در مختصات منحنی الخط غیرمتعامد براساس روش حجم محدود حل می نماید و برای کوپل میدان سرعت و فشار در شبکه جابجا نشده و درونیابی شارها بر روی وجوه در آن به ترتیب از الگوریتم سیمپل و روش رای و چاو استفاده شده است. همچنین سطح آزاد بصورت مرز تقارن فرض شده و از تغییرات آن صرف نظر می شود. در فاز اول به کمک روش بلوک واحد و با آرایه های متغیر، امکان شبیه سازی آبگیر در کنار کانال اصلی به مدل اضافه گردید. در فاز دوم نیز با عنایت به ساختار جریان و همچنین مروری بر تحقیقات پیشین، مدل آشفتگی غیرایزوتروپ تنش های جبری به عنوان مدلی مناسب جهت شبیه سازی فرآیند آبگیری از جریان، در دو نسخه مختلف شامل مدل والین- جانسون (مرتبه چهارم) و مدل رانگ (مرتبه دوم) توسعه داده شد و به مدل اولیه اضافه گردید. نتایج کاربرد اولیه مدل توسعه یافته نشان داد که تاثیر شبیه سازی تنش های غیرایزوتروپ رینولدز در نتایج و مخصوصاً در برآورد جریان های ثانویه کاملاً مشهود می باشد، بطوریکه حتی با بکارگیری مدل مرتبه دوم (رانگ و همکاران) در مقایسه با مدل مرتبه چهارم (والین و جانسون)، از دقت نتایج کاسته می شود. پس از کاربرد اولیه مدل به بررسی توانایی آن در شبیه سازی عددی الگوی جریان اصلی و ثانویه در قوس های 90 و 180 درجه پرداخته شد. در این خصوص پس از مقایسه نتایج بدست آمده از مدل عددی با داده های آزمایشگاهی و اطمینان از عملکرد مدل، جزئیات و فیزیک الگوی جریان، مخصوصاً ساختار گردابه ها و جریان های ثانویه در مقاطع عرضی، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. همچنین در برخی موارد (بدلیل عدم وجود داده های آزمایشگاهی) نتایج بدست آمده با نتایج مدل تجاری فلوئنت مقایسه گردید. پس از اطمینان از عملکرد مناسب مدل در آزمایش های اولیه، برای بررسی عملکرد آن در خصوص تقسیم جریان، الگوی جریان در آبگیری از کانال مستقیم مدل سازی شد. پروفیل های سرعت با داده های آزمایشگاهی مقایسه گردید و ساختار جریان از جمله الگوی جریان های ثانویه و عرضی در کانال اصلی و آبگیر در مقایسه با نتایج مدل فلوئنت، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. در انتها نیز از مدل توسعه داده شده برای شبیه سازی الگوی جریان در فرآیند آبگیری از قوس استفاده گردید. بدین منظور آزمایش آبگیری از قوس 180 درجه با زاویه 45 درجه و در موقعیت استقرار 40 درجه بوسیله مدل عددی شبیه سازی شد و نتایج بدست آمده با داده های آزمایشگاهی مقایسه و تحلیل گردید. نتایج بدست آمده از مدل عددی توسعه داده شده در آزمایش های مختلف در اکثر موارد، همخوانی بسیار خوبی را با داده های آزمایشگاهی در خصوص الگوی جریان اصلی نشان می دهد. مقایسه نتایج مدل های مختلف آشفتگی (تنش های جبری در مقابل دومعادله ای) نیز بیانگر تفاوت اندک میان ساختار اصلی جریان (همچون سرعت طولی) و تفاوت های جدی تر در خصوص ساختار فرعی آن (همچون جریان های ثانویه و گردابه های عرضی) می باشد. البته در برخی موارد در مدل های تنش های جبری حتی با وجود پیچیدگی هایی که دارد، بواسطه سرعت همگرایی بیشتر، از هزینه های محاسباتی نیز کاسته شده است. از سوی دیگر مقایسه جزئیات جریان های ثانویه با مدل های عددی مشابه (همچون فلوئنت با بکارگیری مدل آشفتگی تنش های رینولدز)، حاکی از توانایی مدل تنش های جبری در بررسی الگوی جریان در فرآیندهای پیچیده می باشد. قابل ذکر است بیشترین خطا در نتایج مدل توسعه داده شده در آزمایش آبگیری از جریان در دو ناحیه شامل محدوده کانال اصلی بلافاصله پس از آبگیر و ورودی دهانه آبگیر در نزدیکی سطح آب، رخ داده که علت آن در گزارشات تحقیقات پیشین، عدم شبیه سازی سطح آزاد آب بیان شده است.