فایل مدلسازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي پايين جريان ترکيبي همزمان از روي سرريز و زير دريچه
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته عمران و نقشه برداری (آموزش_و_پژوهش)
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد
چکیده
در سازههای ترکیبی سرریز- دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیهسازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازه‌ها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرمافزار Flow3D است. نرمافزارFlow3D یک نرمافزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار مي‌گیرد. این مدل برای شبیه سازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدلسازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحتسنجی این نرمافزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازههای ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیهسازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیهسازی آبشستگی جریان از مدلهای مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با انتگرالگیریهای پروفیلهای سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه ([endif]-->) و هد آب روی سرریز به طول سازه ([endif]-->) گردید. مقایسه نتایج مدلسازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیهسازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.
کلمات کلیدی: جریان ترکیبی، سرریز- دریچه، آبشستگی، مدلسازی عددی، Flow3D.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1 مقدمه........................................... 2
1-2 تعاریف.......................................... 3
1-2-1 سرریزها....................................... 3
1-2-2 دریچهها....................................... 3
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه...................... 4
1-2-4 آبشستگی....................................... 6
1-3 ضرورت انجام تحقیق............................... 9
1-4 اهداف تحقیق..................................... 9
1- 5 ساختار کلی پایاننامه........................... 10
فصل دوم: بررسی منابع
2-1 مقدمه.......................................... 12
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان........................ 12
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D................. 16
فصل سوم: مواد و روشها
3-1 مقدمه.......................................... 22
3-2 نحوه انجام آزمایشات............................. 22
3-2-1 مخزن......................................... 23
3-2-2 پمپ.......................................... 23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی.............................. 23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان......................... 24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه................. 24
3-3 آنالیز ابعادی.................................. 25
3-4 شبیهسازی عددی.................................. 27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D......................... 28
3-4-2 معادلات حاکم................................... 32
3-4-3 مدلهای آشفتگی................................. 33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای......................... 35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای......................... 35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای.......................... 36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش..................... 36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل............................. 37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل............................. 38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان.................... 38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال............................ 40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل.......................... 41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان.......................... 43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل.............................. 43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه.......................................... 46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب.......... 46
4-2-1 واسنجی نرمافزار............................... 46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ............................ 48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان 54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان................. 59
4-3-1 واسنجی نرمافزار............................... 59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار...................... 61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه.......................................... 70
5-2 نتیجهگیری...................................... 70
5-3 پیشنهادها...................................... 71
منابع.............................................. 74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان 25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D..................... 28
ادامه جدول 3-2..................................... 29
جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی 38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار.......... 40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار.......... 41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب................................................... 42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1).... 51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها................................................... 55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی 60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی 60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی. 61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی 61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی 61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4).... 65
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوری همزمان از روي سرريز و زير دريچه 5
شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی 8
شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی 12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی 12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386). 14
شکل 2- 4 مدل شبيهسازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اویماز، 1987) 14
شکل 2- 5 فرآيند پر و خالي شدن حفره آبشستگي درحين برخي از آزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010).............................................. 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک. 23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک. 24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان 25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب 26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی. 30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه. 30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه. 30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض 31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه. 31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک. 39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ 40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب 40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب 41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان 43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی 43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی. 46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی 47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی 49
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه. 49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg) 51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی 52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه. 52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε. 53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε. 53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه. 54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه 54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی 54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی 55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی. 56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی. 56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی 59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی 62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی. 62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک 63
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب 64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی 65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی 66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان). 66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه. 67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب 67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی. 68