شبیه سازی عددی میدان جریان و سطح آزاد درکانال های u شکل دارای سرریزجانبی

به دلیل ساختار هیدرولیکی کانال های با سطح مقطع u شکل، این نوع مجاری به عنوان مقطع مبدل کانال های مستطیلی و دایروی دریچه های آدم رو و نیز به همراه سرریزهای جانبی در شبکه دفع فاضلاب شهری، سیستم های آبیاری-زهکشی، پروژه های محافظت سیلاب و غیره برای تخلیه جریان های مازاد مورد استفاده قرار می گیرند. در این نوع کانال ها رژیم جریان می تواند در شرایط زیربحرانی و یا فوق بحرانی باشد. در مطالعه حاضر، میدان جریان آشفته و سطح آزاد جریان در کانال های u شکل دارای سرریزجانبی در شرایط جریان زیربحرانی و فوق بحرانی با استفاده از نرم افزار فلو تری دی، مدل آشفتگی rng و طرح vof شبیه سازی شده است. مقایسه بین نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل عددی، سطح آزاد و مشخصات میدان جریان را با دقت قابل قبولی شبیه سازی می-نماید. مقادیر درصد خطای متوسط و خطای ریشه میانگین مربعات نسبی برای پروفیل های طولی سطح آزاد جریان در هر دو رژیم زیربحرانی و فوق بحرانی به ترتیب 79/2%، 7/1%، 86/2% و 21/2% محاسبه شده است. در ادامه، الگوی جریان در کانال های u شکل دارای سرریزجانبی در شرایط جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی مورد بررسی قرار گرفت. برای هر دو رژیم زیربحرانی و فوق بحرانی، یک افت سطح آزاد در یک چهارم ابتدایی دهانه سرریز و یک پرش سطحی در یک چهارم انتهایی طول دهانه به وقوع پیوسته است. سرعت جانبی در شرایط جریان زیربحرانی از ابتدای سرریز تا وسط دهانه سرریز در حال افزایش بوده و سپس با پیشروی به سوی انتهای پائین دست سرریزجانبی مقدار آن کاهش می یابد. این در حالی است که در شرایط فوق بحرانی، سرعت جانبی از ابتدای سرریز به سمت انتهای آن در حال افزایش می باشد. در رژیم زیربحرانی، جریان ثانویه ای بعد از سرریزجانبی به وجود می آید، به گونه ای که سلول جریان ثانویه مذبور با پیشروی به سمت پائین دست کانال اصلی توسعه یافته و بزرگای مولفه عرضی جریان به شکل قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. بر اساس نتایج شبیه سازی، حداقل زاویه ریزشی جت جریان برای رژیم های زیربحرانی و فوق بحرانی به ترتیب در یک پنجم انتهایی و وسط دهانه سرریزجانبی پیش بینی شده است. در شرایط جریان زیر بحرانی، با پیشروی به سمت انتهای پائین دست کانال اصلی از مقدار تنش برشی کاسته می شود به گونه ای که حداکثر و حداقل مقدار تنش برشی بستر به ترتیب در ابتدای بالادست و انتهای پائین دست سرریزجانبی و در زیر ناحیه ایستایی اتفاق می افتد. سپس اثر عدد فرود بالادست سرریزجانبی بر روی جریان های زیربحرانی و فوق بحرانی بررسی شد. با افزایش عدد فرود طول پرش سطحی و ارتفاع نقطه ایستایی به شکل قابل توجه ای افزایش می یابد. برای عدد فرودهای مختلف، بر خلاف طول ناحیه ایستایی، عرض صفحه جدایش جریان از کف کانال اصلی به سمت سطح آزاد جریان توسعه یافته و عرض ناحیه ایستایی از تراز تاج سرریز به سوی کف کانال u شکل افزایش یافته است. حداکثر قدرت جریان جانبی در انتهای پائین دست سرریزجانبی (5/0x= متر) به وقوع می پیوندد و برای کلیه عدد فرودها با پیش روی به سمت پائین دست کانال اصلی قدرت جریان جانبی کاهش می یابد. در ادامه اثرات نسبت طول سرریزجانبی به قطر کانال u شکل بر مشخصات میدان جریان مورد بررسی قرار گرفت. سطح آزاد جریان در قبل از سرریزجانبی به علت افزایش طول سرریز تحت تاثیر آن قرار گرفته و یک اختلاف تراز در کلیه مقاطع طولی به وجود آمده است. اختلاف متوسط انرژی مخصوص در بالادست و پائین دست سرریز با طول بیشتر برابر 94/2% محاسبه شده که در مقایسه با سرریزجانبی کوتاه تر تقریبا 5/2 برابر شده است. در بخش مربوط به تغییر پارامتر، اثرات استغراق سرریزجانبی بر الگوی جریان در کانال های u شکل برای هر دو رژیم جریان زیربحرانی و فوق بحرانی بررسی شده است. استغراق سرریزجانبی تنها بر روی الگوی تغییرات سطح آزاد در هر دو رژیم جریان، مولفه عرضی سرعت در شرایط جریان فوق بحرانی و زاویه ریزشی جت جریان در رژیم زیربحرانی اثر گذار بوده است.