شبیه سازی عددی جریان سطح آزاد در محل اتصال کانال ها

openfoamازجمله نرم افزارهای موجود برای مدل سازی عددی جریان است که در این پژوهش از این نرم افزار برای مدل سازی عددی جریان سطح آزاد استفاده می شود. در این پژوهش توانمندی ها و قابلیت های نرم افزار openfoam در مدل سازی جریان در کانال های روباز موردبررسی قرار می گیرد که شامل نحوه ی اعمال شرایط مختلف مرزی در ورودی، خروجی، دیواره ها و مرز آزاد، ردیابی سطح آزاد سیال و شناسایی الگوی جریان در شرایط پیچیده در جریان آشفته می شود. جریان در محل اتصال کانال ها که با عنوان آبگیر یا انشعاب نیز شناخته می شود، با در اختیار داشتن همه ی ویژگی های ذکرشده، موضوع اصلی این تحقیق است. جریان در کانال های روباز دارای طبیعتی آشفته است. بنا بر این برای مدل سازی آشفتگی جریان باید از یک مدل آشفتگی مناسب استفاده کرد. همچنین جریان در محل اتصال کانال های روباز به طورمعمول از نوع جریان های زیربحرانی و با مقادیر پایین عدد فرود است؛ لذا در هر یک از مرزهای ورودی و خروجی جریان، به اعمال یک شرط مرزی نیاز است. در علم هیدرولیک کانال های روباز، شرط دبی ثابت برای مقطع ورودی و شرط عمق ثابت برای مقطع خروجی کانال بکار گرفته می شود. در آبگیرها، میزان دبی کانال فرعی بستگی به دبی ورودی و عمق های پایین دست دارد. بااین حال هیچ رابطه ی تحلیلی میان این پارامترها وجود ندارد. از طرفی دیگر در آزمایش های فیزیکی، عمق های پایین دست کانال اصلی و فرعی مشخص نشده است و تنها مقادیر دبی های ورودی و خروجی در اختیار است. درواقع شرایط مرزی در محاسبات عددی مشابه محاسبات آزمایشگاهی نیست؛ لذا به ناچار باید از روش آزمون وخطا استفاده کرد. با توجه به پیچیدگی مسئله، عدم قطعیت در اندازه گیری ها، تفاوت شرایط مرزی اعمال شده در محاسبات آزمایشگاهی و عددی و عدم وجود یک مدل آشفتگی جامع و فراگیر، نتایج عددی را می توان موردقبول در نظر گرفت. از دیگر فرضیاتی که در بیشتر مطالعات انجام شده در آبگیرها بکار گرفته می شود، این است که محققان با توجه به نظریه تیلور از تغییرات عرضی عمق جریان چشم پوشی کرده و برای سطح آزاد آب از شرط مرزی تقارن استفاده کرده و عمق آب را در کل میدان برابر مقداری ثابت در نظر می گیرند . درواقع برای مقطع ورودی، دو شرط مرزی در نظر گرفته شده و عملاً مسئله به یک مسئله تک فازی تبدیل می شود؛ اما در این مطالعه، جریان به صورت دوفازی مدل سازی شده و تغییرات سطح آزاد نیز مدنظر خواهد بود. هم چنین در شرایطی که جداره ها و کف کانال با عدد مانینگ در نظر گرفته می شوند، جهت اعمال زبری از یک رابطه لگاریتمی شده و در نرم افزار لحاظ می شود. نکته حائز اهمیت دیگر، ایجاد حالت کاملاً توسعه یافته تا پیش از رسیدن جریان به محل اتصال کانال های اصلی و فرعی است. همه ی محققان برای شبیه سازی عددی این حالت، اقدام به افزایش طول بالادست کانال اصلی می کنند که به افزایش هزینه ی محاسباتی منجر می شود. در این پژوهش با فرض توزیع سرعت کاملاً توسعه یافته به صورت یک رابطه ی توانی در مقطع، یک رابطه ی توزیع سه بعدی سرعت کاملاً توسعه یافته ارائه شده و در ورودی کانال اصلی اعمال می شود. بدین ترتیب تا حدودی از افزایش تعداد سلول های محاسباتی جلوگیری می شود. در این پژوهش همه ی مدل سازی ها در سیستم مختصاتی کارتزین با شبکه محاسباتی غیریکنواخت انجام می گیرد، به گونه ای که شبکه بندی در محل دیواره ها و کف کانال به منظور رعایت و در محل اتصال کانال به دلیل وجود جریان های گردابه ای، بسیار ریزتر از سایر قسمت ها در نظر گرفته شود. بدین منظور ابتدا جریان در مسئله ای با هندسه ی ساده تر موردمطالعه قرار می گیرد. ازآنجاکه جریان در آبگیر از نوع جریان زیربحرانی است، مسئله با هندسه ساده برای جریان زیربحرانی در یک کانال مستقیم و طولانی با مقطع مستطیلی شکل انتخاب می شود. بدین ترتیب ضمن صحت سنجی کاربرد نرم افزار در کانال های روباز، در مرحله ی بعد مدل سازی جریان در آبگیر از یک کانال مستقیم انجام شده و با داده های موجود مقایسه می شود. با توجه به مسائل مربوط به ورود و تجمع رسوبات در ابتدای آبگیر، بعد از بررسی جریان سطح آزاد در محل اتصال کانال، با ایده ی بالا بردن رقوم کف کانال فرعی، الگوی جریان در این ناحیه موردبررسی قرار می گیرد.