شبیه‎سازی دوبعدی جریان در لوله‏ها

موضوع اصلی این پایان‏نامه، شناخت جریان گذرا در لوله‏ها و بررسی اثر جدایی ستون مایع در آن می‏باشد. جریان های گذرا در هیدرولیک بر درستی و سلامت ساختار خطوط لوله اثر گذاشته و به این دلیل است که برای مهندسین طراح از اهمیت ویژه ای برخوردار است ولی از طرف دیگر با توجه به اینکه این امواج قادرند به سرعت در یک سیستم حرکت کنند و شکل آن ها با انتشار و انعکاس آن ها تغییر می‏کند، می توان از آن ها به عنوان یک منبع اطلاعاتی مناسب در کاربردهای مدیریتی استفاده نمود. در سال های اخیر از برخی تکنیک‎های توسعه یافته برای نشت یابی در سیستم های آب رسانی که در آن ها اطلاعات از استهلاک و انعکاس جریان گذرا به دست می آید، استفاده شده است. برای مدل‏سازی نوسانات فشار و سرعت در جریان گذرا نیاز به حل معادلات پیوستگی و اندازه حرکت می‎باشد. مدل‏های ارائه شده به دو دسته مدل‏های یک‏بعدی و دوبعدی (شبه‏دوبعدی) تقسیم می‏شوند. مدل‎های یک‏بعدی ارائه شده نوسانات فشار و دبی متوسط را در مسائل ضربه قوچ به خوبی مدل می‏کنند ولی برای مدل‏سازی آشفتگی و هم‏چنین در مسائل کنترل کیفیت آب به جزئیات پروفیل سرعت در جریان‏های گذرا نیاز است از این‏رو مدل‏های دوبعدی توسعه پیدا کردند. در بحث جریان گذرا، هدف ایجاد مدلی جامع برای شبکه لوله ها است که از نظر محاسباتی سریع و دقیق باشد. مدل‏های یک‏بعدی سرعت بیش‏تری نسبت به مدل‏های دوبعدی و شبه‏دوبعدی دارند ولی در عین حال از دقت کم‏تری نسبت به این مدل‏ها برخوردارند. تقریب ها و ساده‏سازی‏های استفاده شده در مدل‏های یک بعدی بسیار زیاد است. به عنوان مثال سرعت محوری در طول خط لوله در قسمت‏های مختلف مقطع لوله، یکسان و برابر با سرعت میانگین جریان در نظر گرفته می شود در حالی که به دلیل شرط عدم لغزش، در دیواره ها سرعت صفر می‏باشد که نشان می دهد سرعت در مقطع یکسان نیست. یکی از مسائل پیش رو در حل معادلات یک‏بعدی تخمین ضریب افت اصطکاکی می‏باشد. این ضریب به صورت ماندگار، شبه‏ماندگار و ناماندگار تخمین زده می‏شود که دقت روش ناماندگار نسبت به دو روش دیگر بیش‏تر است. در روش ناماندگار نیز محققان روش‏های متفاوتی را ارائه داده‏اند که دقت روش‏های ارائه شده با یکدیگر متفاوت است. در این مطالعه از دو روش ناماندگار brunone و zielke و شبه‏ماندگار استفاده شده است. در معادلات دوبعدی نیز برای بهبود نتایج نیاز به یک مدل آشفتگی می‏باشد که از مدل آشفتگی پنج لایه استفاده شده است. مدل‏های دوبعدی به ویژه در جریان‏های آشفته اهمیت بیش‏تری پیدا می‏کنند. جدایی ستون مایع یکی از عواملی است که باعث خطا در نتایج می‏شود. به صورت معمول از اثرات جدایی ستون مایع صرف نظر می‏شود و خطای به وجود آمده را در نظر نمی‏گیرند. در این مطالعه ضربه قوچ با در نظر گرفتن جدایی ستون مایع مدل شده است. از مقایسه نتایج مدل‏های یک‏بعدی و شبه‏دوبعدی با نتایج آزمایشگاهی می‏توان دریافت که مدل‏ شبه‏دوبعدی شکل موج را به خوبی حفظ کرده و هد حداکثر را با دقت خوبی تخمین زده است. در این مطالعه جدایی ستون مایع به معادلات یک‏بعدی و دوبعدی اضافه شده و از مقایسه نتایج می‎توان گفت که مدل شبه‏دوبعدی جدایی ستون باعث بهبود نتایج شده است و نوسانات مشاهده شده در نتایج آزمایشگاهی را بهتر نشان می‏دهد و دقت لازم برای تخمین هد حداکثر را دارد. در نظر گرفتن جدایی ستون مایع در معادلات دوبعدی ابتکاری بوده و لازم است تا در آینده بیش‏تر مورد بررسی و ارزیابی قرار بگیرد.