شبیه سازی عددی پروفیل سطح آزاد ناشی از وجود موانع در جریان

شناخت میدان جریان در اطراف موانعی همچون پایه پل ها ، عرشه پل های مستغرق، سرریزها و ... در بسیاری از کاربردهای مهندسی حائز اهمیت است. در تحقیق حاضر به بررسی استغراق عرشه پلها و همچنین مشخصات جریان بر روی سرریزهای لبه پهن مستطیلی پرداخته شده است. در حین یک رخداد بحرانی در رودخانه ها مانند سیل، عرشه پل ممکن است نسبتاً و یا بطور کامل توسط جریان رودخانه مستغرق گردد. در ضمن استغراق، بارهای هیدرودینامیکی قابل ملاحظه ای به عرشه وارد می شود که می تواند پایداری آن را بطور جدی به مخاطره اندازد. در کنار اطلاعات مربوط به احتمال وقوع سیل، پیش بینی مناسب بارهای هیدرودینامیکی وارد به سازه در حین وقوع سیل اهمیت بسزایی در طراحی و ارزیابی آسیب پذیری سازه خواهد داشت. در تحقیق حاضر ابتدا میدان متوسط جریان در اطراف عرشه پل و ضریب نیروی درگ متوسط زمانی وارد بر آن با استفاده از نرم افزار فلوئنت نسخه 12.0.16 و بهره گیری از سه نوع مدل آشفتگی استاندارد، rng و realizable شبیه سازی شده است. در این شبیه سازی ها از روش های vof و سطح صلب جهت شبیه سازی سطح آزاد استفاده گردیده است. از طرح های بازسازی هندسی و کوئیک به منظور تعیین موقعیت سطح آزاد در روش vof استفاده شده است. تطابق مناسب نتایج شبیه سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود، نشان دهنده توانایی شبیه سازی عددی در پیش بینی مناسب میدان متوسط جریان مجاور عرشه و نیروی درگ متوسط وارد بر آن می باشد. در ابتدا در جریان های با عدد فرود پایین به بررسی اثر تغییر تراز غوطه وری، تأثیر شرایط مرزی سطح آزاد و کف کانال و همچنین اثر تغییر نسبت طول به ضخامت بر میدان متوسط جریان مجاور عرشه و ضریب نیروی درگ وارد بر آن پرداخته شده است. بیشترین مقدار ضریب نیروی درگ در ترازهای غوطه وری پایین رخ می دهد، بعبارت دیگر بحرانی ترین وضعیت برای پایداری سازه هنگامی رخ می دهد که تراز سطح آب بر روی سازه اندک باشد. در این شرایط میدان متوسط جریان مجاور عرشه نامتقارن است. اما در ترازهای غوطه وری بالا با افزایش تراز غوطه وری، ضریب نیروی درگ تقریباً ثابت است و میدان متوسط جریان مجاور عرشه متقارن می باشد. در شرایطی که فاصله عرشه از بستر کانال و سطح آزاد قابل ملاحظه است، شرایط جریان نامحدود بوده و میدان متوسط جریان اطراف عرشه متقارن و ضریب نیروی درگ با تغییر این فاصله، نسبتاً ثابت است. اما با نزدیک شدن عرشه به بستر کانال و یا سطح آزاد، وضعیت تقارن میدان جریان از بین رفته و با تغییر این فاصله ضریب نیروی درگ تغییر می کند. یکی از عوامل موثر بر بارهای هیدرودینامیکی وارد بر عرشه مستطیلی نسبت طول به ضخامت آن است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که با افزایش نسبت طول به ضخامت مقدار ضریب نیروی درگ کاهش می یابد و در نسبتهای طول به ضخامت زیاد، بدلیل عدم تغییر میدان متوسط جریان، مقدار ضریب نیروی درگ متوسط نیز تقریباً ثابت و مستقل از نسبت فوق می باشد. سپس به بررسی اثر تغییر تراز غوطه وری در جریانهای با عدد فرود بالا پرداخته شد. در جریانهای با عدد فرود بالا، تغییرات سطح آزاد بر روی عرشه قابل ملاحظه است. در این بخش، نتایج شبیه سازی ها نشان دهنده اختلاف قابل ملاحظه دو طرح بازسازی هندسی و کوئیک در روش vof می باشد. بطوریکه در شرایط استغراق نسبی طرح کوئیک قادر به شبیه سازی مناسب ضریب نیروی درگ نمی باشد و در چنین شرایطی طرح بازسازی هندسی ضریب نیروی درگ را بنحو مناسبی پیش بینی می نماید. همچنین هنگامی که تراز سطح آب بر روی عرشه کم است بدلیل اندرکنش سطح آزاد و عرشه، بر روی سطح آزاد جریان اختلاط آب و هوا مشاهده می شود که در این شرایط طرح بازسازی هندسی قادر به شبیه سازی این اختلاط نیست و در این حالت باید از طرح های حجم محدود مانند کوئیک استفاده نمود. در ادامه تحقیق جریان عبوری از سرریزهای لبه پهن مستطیلی شبیه سازی شد. سرریزهای لبه پهن از جمله سازه های هیدرولیکی رایج در سیستمهای آبیاری، طرح های هیدروالکتریک و... هستند. تغییرشیب وجه بالادست و پایین دست از عوامل مهمی می باشد که می تواند شرایط جریان و راندمان تخلیه سازه را تحت تأثیر قرار دهد. در تحقیق حاضر با استفاده از نرم افزار فلوئنت نسخه 12.0.16 و بهره گیری از روش شبیه سازی سطح آزاد vof و دو نوع مدل آشفتگی استاندارد، rng به صحت سنجی مدل پرداخته شده است. تطابق مناسب نتایج شبیه سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود، نشان دهنده توانایی شبیه سازی عددی در پیش بینی مناسب مشخصات جریان بر روی سرریزهای لبه پهن مستطیلی است. در ادامه با استفاده از مدل آشفتگی rng ، برخی از مهمترین مشخصات جریان بر روی سرریزهای لبه پهن بررسی شده است. در ابتدا به بررسی اثر تغییر دبی بر ناحیه جدایی جریان ابتدای تاج و همچنین اثر تغییر شیب در وجوه بالادست و پایین دست سرریز بر ناحیه جدایی جریان و ضریب دبی پرداخته شده است. همچنین میدان سرعت سرریزهای لبه پهن و اثر عوامل مختلفی چون تغییر دبی و تغییر شیب در وجوه بالادست و پایین دست بر پروفیل سطح آزاد و موقعیت تشکیل عمق بحرانی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با کاهش دبی، ناحیه جدایی جریان در ابتدای تاج کوچکتر می شود اما آهنگ تغییرات این ناحیه با تغییر دبی ثابت نیست بطوری که در دبی های پایین تر، تغییرات پروفیل جدایی جریان با تغییر دبی بیشتر است. با شیب دار کردن وجه بالادست سرریز، محدوده جدایی جریان ابتدای تاج کاهش یافته و در نتیجه ضریب دبی افزایش می یابد اما تغییر شیب وجه پایین دست اثری بر ناحیه جدایی جریان ابتدای تاج و ضریب دبی ندارد. بررسی میدان سرعت سرریزهای لبه پهن نشان می دهد که از ابتدای تاج تا محل تشکیل عمق نرمال، پروفیل سرعت تحت تأثیر عواملی مانند انحنای خطوط جریان و پدیده جدایی خطوط جریان، یکنواخت نیست. اما در محدوده تشکیل عمق نرمال خطوط جریان موازی و مستقیم بوده و پروفیل سرعت، به جز در ناحیه کوچک لایه مرزی، یکنواخت است. در گوشه پایین دست تاج پروفیل سرعت متناسب با شیب وجه پایین دست متفاوت می باشد. در سرریز با شیب وجه پایین دست قائم حداکثر سرعت در نزدیک کف رخ می دهد. با ملایم شدن شیب پایین دست، محل سرعت ماکزیمم از کف فاصله گرفته و همچنین مقدار آن کاهش می یابد. نتایج نشان می دهد که با افزایش دبی موقعیت تشکیل عمق بحرانی به سمت پایین دست منتقل می شود. تغییر شیب وجه پایین دست موقعیت تشکیل عمق بحرانی را تغییر نمی دهد، همچنین تغییر شیب در وجه بالادست نیز تغییر محسوسی در موقعیت تشکیل عمق بحرانی ایجاد نمی کند. اما عمق آب در بالادست و قسمت ابتدایی تاج تا قبل از محل تشکیل عمق بحرانی در سرریز با شیب وجه بالادست تند مقداری بیشتر از سرریز با شیب وجه بالادست ملایم می باشد. بعد از محل تشکیل عمق بحرانی تا قسمت های انتهایی تاج، عمق آب در سرریز با شیب وجه بالادست ملایم اندکی بیشتر از سرریز با شیب وجه بالادست تند می باشد. ضمناً افت سطح آب در ابتدای تاج در سرریز با با شیب وجه بالادست ملایم تر با شیب کمتری صورت می گیرد. با ملایم کردن شیب پایین دست با کاهش میزان فشار منفی بدلیل کاهش انحنای خطوط جریان و همچنین از بین رفتن ناحیه جدایی جریان ابتدای وجه پایین دست، احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون کاهش می یابد.