محاسبه پارامترهای هیدرولیکی سرعت و عمق جریان بر روی سرریز اوجی با استفاده از نرم افزار FLOW-3D مطالعه موردی، سرریز سد جره

نویسند‌گان: [ سامان سخایی ] - دانشجوی کارشناسی ارشد عمران گرایش سازه های هیدرولیکی دانشگاه آزاد دزفول ایران[ ابراهیم نوحانی ] - عضوهیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحددزفول گروه سازه های هیدرولیکی دزفول ایران[ علی افروس ] - عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحددزفول گروه ابیاری و زهکشی دزفول ایران

خلاصه مقاله:

با توجه به رشد روز افزون جمعیت و افزایش نیاز به آب ضرورت احداث سدهای بزرگ و بدنبال آن سرریزهایی که توان عبور دبی های زیاد را داشته باشند هر بیشتر احساس می گردد یکی از مشکلاتی که ساختمان سرریز سدها را تهدید می کند پدیده کاویناسیون است . تجربه نشان داده است که در جریان های سریع بر روی این نوع سرریزها وقتی که سرعت آب زیاد شود احتمال خطر کاویناسیون زیاد می باشد در انی تحقیق با استفاده از مدل FLOW3D که یک نرم افزار قوی در زمینه CFD می باشد سرریز سد جره رامدل نموده و هیدرولیک جریان بر روی آن شبیه سازی و پارامترهای سرعت و عمق مورد بررسی قرار گرفته است برای این منظور در طول سرریز تعداد 10 ایستگاه جهت اندازه گیری پارامترهای مذکور در نظر گرفته شد بر مبنای نتایج اندازه گیری های صورت گرفته با مدل FLOW3D و مقایسه با مدل فیزیکی ساخته شده در آزمایشگاه موسسه تحقیقات آب نتایج از مطابقت خوبی برخوردار بودند

کلمات کلیدی:

 سرریزاوجی ، سرعت ، عمق ، FLOW-3D

پروژه آماده: حل نیمه دقیق و شبیه سازی عددی رفتار جریان سیال بر روی سرریز اوجی بر اساس CFD (فایل ورد - 124 صفحه)

چکیده:

هدف این پایان‌نامه تحقیق در مورد راهکارهای حل نیمه دقیق از یک طرف و شبیه سازی عددی در مورد رفتار جریان سیال بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار می‌باشد.

همچنین مقایسه نتایج بدست آمده بر روی سرریز اوجی بر اساس CFD یکی دیگر از اهداف این پایان‌نامه می‌باشد تا درمطالعات و طرحهای آتی با اطمینان خاطر بیشتر از مدلهای (CFD) استفاده گردد.

ضرورت تحقیق این پایان‌نامه گسترش استفاده از مدلهای (CFD) در داخل کشور می‌باشد بطوریکه مدلهای CFD در چند سال اخیر نقش بسزایی را در مسائل صنعتی و آکادمیک ایفا کرده است. در دو دهه قبل مسائل (CFD) به صورت آکادمیک مطرح بوده ولی در دهه اخیر در کشورهای پیشرفته رواج گستره‌ای در صنعت پیدا کرده است.

برای انتخاب بهترین طرح برای بسیاری از سدها باید با صرفه ترین و دقیق‌ترین روش را برای بررسی چگونی رفتار جریان بر روی سرریز در صورت وقوع سیل را در نظر گرفت. تا مدتی قبل استفاده از مدل فیزیکی تنها روش بررسی بوده ولی هم اکنون استفاده از روش (CFD) رواج گسترده‌ای پیدا کرده است که هزینه و زمان بررسی کردن را پایین آورده است.

در این پایان‌نامه نحوه رفتار جریان بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از برنامه Fluent و تحت سطوح بالا برنده مورد بررسی قرار گرفته است.

برای شبکه‌بندی مدل تاج سرریز سدانحرافی گرمسار از نوع شبکه‌بندی چند بلوکی استفاده شده است مدل تاج سرریز نیز به چهار ناحیه تقسیم‌بندی شده است و در حل این پروژه از مدل Vof استفاده شده است. طبق نتایج حاصل از تحقیقات به عمل آمد بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار برای 5/0=Hd/H بر روی تاج سرریز فشار منفی تشکیل نمی‌گردد و برای 1=Hd/H و 33/1=Hd/H بر روی تاج سرریز سد انحرافی گرمسار فشا منفی تشکیل می‌گردد.

فصل اول

مقدمه

درمسائل مهندسی امروزی شناخت رفتار یا عکس العمل یک پدیده نقش بسزائی دربررسی نتایج بدست آمده و طراحی دقیق مسائل مهندسی دارد، بطوریکه یک پژوهشگر یا محقق با شناخت چگونگی رفتار یک پدیده دربرخورد با مسائل مختلف می تواند وضعیت فیزیکی پدیده را درقبال مسائل مختلف مهندسی بهبود بخشد.

به عنوان مثال درطراحی بدنه خودرو اگر یک محقق عکس العمل یا رفتار هوا نسبت به خودرو را درسرعت های بالا درنظر نگیرد باعث مشکلات عدیده ای خواهد شد بطوریکه دراین حالت ضریب بازدارندگی افزایش و درنتیجه نیروی بازدارندگی نیز افزایش می یابد و اتومبیل برای رسیدن به یک سرعت مناسب بایستی نیروی بیشتری راتولید کند که در نتیجه باعث افزایش مصرف سوخت و سایر مشکلات خواهدشد. اما امروزه کارشناسان با شناخت رفتار و عکس العمل هوا نسبت به بدنه خودرو به این نتیجه رسیده اند که بایستی بدنه خودروها حالت آیرودینامیکی داشته باشد تا با مشکلات ذکر شده مواجه نشوند.

لذا شناخت پدیده و عکس العمل آن نسبت به مسائل مختلف در امور مهندسی امروزی مانند هوا و فضا، هیدرولیک، سیالات و … از اهمیت قابل توجهی برخودار است. دربرخورد مهندسان با مسائل و موضوعات هیدرولیکی مشخص بودن چگونگی رفتار سیال کمک بسیار زیادی را در طراحی هرچه دقیق تر پروژه ها می‌نماید. حل برخی از مسائل هیدرولیکی با روشهای حل تحلیلی امکان پذیر می باشد اما ممکن است دربرخی از موضوعات، حل تحلیلی کمک قابل توجهی را به یک محقق ننماید لذا بایستی ازحل عددی برای بررسی چگونگی رفتار سیال استفاده کرد. یکی از مسائل مهمی که کارشناسان هیدرولیک بایستی با آن آشنا باشند نحوه رفتار جریان برروی سرریزهای سازه های آبی می باشد. یکی از راه های شناخت رفتار جریان برروی سرریز استفاده از مدلهای فیزیکی می باشد.

نتایج مدلهای فیزیکی درصورتیکه شرایط مدل به خوبی ایجاد گردد قابل قبول می‌باشد. اما یکی از مشکلات مدلهای فیزیکی درپروژه های مهندسی مدت زمانی است که طول می کشد تا نتایج مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گیرد به طوریکه ممکن است ماهها و یا دربرخی از موضوعات هیدرولیکی مانند بررسی میزان کاوتیاسیون سالها طول بکشد ویا اینکه یک محقق برای بررسی مدل فیزیکی گزینه های مختلف با محدودیت زمانی مواجه باشد. ساخت مدل فیزیکی و تجزیه و تحلیل نتایج آن هزینه قابل توجهی را درپی دارد لذا دربحث هزینه وزمان ممکن است که یک محقق امکان استفاده از مدلهای مختلف فیزیکی را برای بررسی دقیق تر نتایج نداشته باشد. دربرخی از پدیده ها و موضوعات مهندسی امکان استفاده از مدل فیزیکی نمی باشد به عنوان مثال مدلسازی محیطی با درجه حرارت 4000 درجه به بالا ممکن است بسیار سخت و یا امکان پذیر نباشد. لذا استفاده از حل عددی مسائل کمک شایانی را به یک محقق می نماید تا به بررسی موضوع بپردازد. به طوریکه می توان با کمترین هزینه ودرکمترین زمان گزینه های مختلفی را بررسی کرد.

همانطور که اشاره شد شناخت نحوه رفتار جریان برروی سرریزسازه های آبی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. معمولاً درطراحی سدهای انحرافی ازسرریز نوع اوجی استفاده می شود.

بررسی رفتار جریان برروی تاج سرریز برای دبی های بیشتر از دبی طراحی از اهمیت بسزایی درطراحی تاج سرریز برخودار است به طوریکه اگر فشار ایجاد شده برروی تاج سرریزهای اوجی کمتر از فشار اتمسفر گردد، فشار منفی برروی سرریز که برای دبی های بیشتر از دبی طراحی اتفاق می افتد باعث پدیده کاوتیاسیون می گردد بطوریکه این پدیده خسارات جبران ناپذیری را برای بسیاری از سازه های آبی به بار آورده است. ازجمله سازه های آبی که با این پدیده روبرو هستند می توان به سرریز سد شهید عباسپور اشاره کرد که برای دبی های بیشتر از دبی طراحی، مشکلاتی برای سرریز این سد ایجاد شده است. همچنین می توان به سد انحرافی گرمسار اشاره کرد که تاج سرریز آن دچار خوردگی و کاویتاسیون گردیده است. لذا در این پایان نامه نحوه رفتار جریان برروی تاج سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از نرم افزار fluent مورد بررسی قرارگرفته است. از آنجائیکه برای مهار آبهای سطحی و سیلاب ها از سدهای انحرافی با سرریز اوجی استفاده می گرد لذا ضروریت انجام این تحقیق آن است علل فرسایش و کاویتاسیون برروی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار مشخص گردد و هدف این تحقیق آن است با توجه به دقت نتایج بدست آمده براساس مدل عددی CFD)) برروی سرریز اوجی و با استفاده از نرم افزار Fluent بتوان با اطمینان خاطر بیشتری ازمدلهای (CFD) استفاده کرد.

روش انجام کار بدین گونه می باشد که ابتدا بایستی مدل تاج سرریز توسط یک نرم افزار پیش پردازنده مدلسازی گردد نرم افزاری پیش پردازنده Fluent نرم افزار gambit می باشد که از قابلیت های خوبی برای شبکه بندی و معرفی شرایط مرزی مدل برخوردار است.

تشریح فصول مختلف پایان نامه :

درفصل دوم این پایان نامه تاریخچه استفاده از برنامه های CFD ارائه شده است و درفصل سوم مفاهیم اساسی پایان نامه ازجمله، هیدرولیک جریان برروی سرریز اوجی وروشها و معیارهای طراحی سرریز اوجی شرح داده شده است.

درفصل چهارم این پایان نامه توضیحاتی درمورد نرم افزار fluent و روشهای حل عددی به کارگرفته شده دراین نرم افزار شرح داد شده است و نقشه ها و اطلاعات کلی مربوط به سد انحرافی گرمسار ارائه شده است.

درفصل پنجم نتایج بدست آمده از نرم افزار fluent برروی مدل سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار ارائه شده است که دراین فصل به بررسی اشکال بدست آمده پرداخته شده است و درفصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات مربوط به این تحقیق ارائه شده است.

جنبه فیزیکی پدیده انتقال در ابعاد ماکروسکوپی، با استفاده از قوانین حرکت نیوتن و اصول اساسی قوانین بقای جرم، ممنتم، انرژی و گونه‌های شیمیایی قانونمند شده است. براساس طبیعت مسئله و کمیتهای مورد نظر، این مفاهیم اساسی را می‌توان بصورت معادلات جبری، دیفرانسیلی و یا انتگرالی بیان نمود.

شبیه‌سازی عددی از جمله تکنیکهایی است که معادلات انتقال حاکم را با معادلات جبری جایگزین کرده و یک توصیف عددی از پدیده‌ها را در فضا و یا دامنه‌های محاسباتی فراهم می‌کند. صرف نظر از طبیعت مسئله شبیه‌سازی عددی مستلزم داشتن مهارت کافی در زمینه‌های مربوطه از جمله محاسبات عددی می‌باشد.

تمام مهندسان از یکی از سه روش تجربی، حل دقیق و حل عددی برای یافتن مقادیر کمیتهای مسائل تعریف شده استفاده می‌کنند. شبیه‌سازی عددی روشی مناسب برای ارائه کمیتهای معادلات انتقال می‌باشد. معمولاً در روشهای عددی مسائل بصورت سعی و خطا و با تکرار بسیار زیاد حل می‌شود. بدیهی است که انجام این کار تنها با استفاده از کامپیوتر امکان پذیر است. پیشرفت تکنیکهای حل عددی و گسترش دامنه کاربرد آن برای مسائل پیچیده‌تر با پیشرفت فناوریهای سخت افزاری و نرم‌افزاری ارتباطی مستقیم دارد. استفاده از ابرکامپیوترها و پردازشگرهای موازی در شبیه‌سازی عددی، مثال بارزی برای اثبات این ادعا است.

فهرست

چکیده:1

فصل اول/کلیات2

مقدمه3

CFD چیست؟6

نقش CFD در دنیای فناوری مدرن امروزی7

اهمیت انتقال حرارت و جریان سیال10

متدهای پیشگویی10

امتیازات یک محاسبه تئوری11

هزینه کم11

اطلاعات کامل12

توانایی شبیه سازی شرایط واقعی12

توانایی شبیه‌سازی شرایط ایده‌آل12

نارساییهای محاسبه تئوری13

انتخاب متد پیشگوی13

یک برنامه CFD چگونه کار می‌کند؟14

توضیح سازگاری و پایداری15

فصل دوم/تاریخچه17

تاریخچه18

فصل سوم/مفاهیم اساسی پایان‌نامه24

3-1- مقدمه25

3-2- انتخاب دبی طرح برای سرریز25

3-3- شکل‌گیری سرریز از نوع پیوند (Ogee)26

3-4- سرریز WES28

3-4-1- طراحی هیدرولیکی سرریز WES29

3-4-1- اثر ارتفاع سرریز و ارتفاع آب در سراب بر ضریب C29

3-4-2- اثر شیب بدنه در سراب بر ضریب C29

3-4-3- اثر ارتفاع آب و رقوم کف در پایاب بر ضریب C30

3-4-4- اثر پایه‌های پل و دماغه سواحل بر ضریب دبی جریان32

3-4-5- طراحی بدنه سرریز WES33

3-4-6- طراحی بدنه سرریز کوتاه بدون دریچه WES در تنداب‌ها35

3-5- کنترل‌کاویتاسیون در سرریزهای بلند36

فصل چهارم/آشنایی با برنامه FluentError! Bookmark not defined.

(روشهای حل عددی استفاده شده در مدل Fluent)Error! Bookmark not defined.

4-1 قابلیتها و محدودیتهای نرم‌افزار فلوئنتError! Bookmark not defined.

4-1-1- توانائیهای نرم‌افزار فلوئنتError! Bookmark not defined.

قابلییتهای مدلسازی فیزیکیError! Bookmark not defined.

الف- آشفتگیError! Bookmark not defined.

ب-احتراق/واکنشهای شیمیاییError! Bookmark not defined.

ج- تابشError! Bookmark not defined.

د- جریانهای چند فازیError! Bookmark not defined.

ه- جریانهای فاز گسستهError! Bookmark not defined.

و- گزینه‌های شرائط مرزیError! Bookmark not defined.

ز- توابع تعریف شونده توسط کاربرError! Bookmark not defined.

ح- سایر توانمندیهاError! Bookmark not defined.

توانا ئیهای جدید نسخه‌های سری 6 نرم‌افزار فلوئنتError! Bookmark not defined.

4-1-2- محدودیتهای نرم‌افزار فلوئنتError! Bookmark not defined.

4-2- نگاهی گذرا به چگونگی استفاده از نرم‌افزار فلوئنت43

4-2-1- چگونگی شبیه‌سازی جریان به روش CFD44

4-2-2- راه‌ اندازی نرم‌افزار فلوئنت46

راه‌اندازی نرم‌افزار فلوئنت در سیستم عامل UNIX47

راه‌اندازی نرم‌افزار فلوئنت در سیستم عامل WINDOWS47

4-3- روشهای حل معادلات50

4-3-1 گسسته‌سازی معادلاتError! Bookmark not defined.

4-3-1-1 روش تفاضل پیشرو مرتبه اولError! Bookmark not defined.

4-3-1-2- روش Power LawError! Bookmark not defined.

4-3-1-3- روش پیشرو مرتبه دومError! Bookmark not defined.

4-3-1-4- روش QUICKError! Bookmark not defined.

4-3-1-5- شکل خطی شده معادله گسستهError! Bookmark not defined.

4-3-1-6- پارامتر Under-RelaxationError! Bookmark not defined.

4-3-2- روش حل SegregatedError! Bookmark not defined.

4-3-2-1- گسسته‌سازی معادله ممنتمError! Bookmark not defined.

روشهای میانیابی فشارError! Bookmark not defined.

4-3-2-2- گسسته‌سازی معادله پیوستگیError! Bookmark not defined.

4-3-2-3- گوپلینگ سرعت-فشارError! Bookmark not defined.

الگوریتم SIMPLEError! Bookmark not defined.

روش SIMPLECError! Bookmark not defined.

روش PISOError! Bookmark not defined.

تصحیح همسایهError! Bookmark not defined.

تصحیح تابیدگیError! Bookmark not defined.

رفتار ویژه نیروهای وزنی قوی در جریانهای چند فازیError! Bookmark not defined.

4-3-3- روش حل CoupledError! Bookmark not defined.

4-3-3-1- فرم برداری معادلات حاکمError! Bookmark not defined.

پیش شرطError! Bookmark not defined.

تجزیه تفاضل شارError! Bookmark not defined.

4-3-3-2- گام زمانی برای جریانهای پایاError! Bookmark not defined.

روش صریحError! Bookmark not defined.

4-3-3-3- گسسته‌سازی موقتی برای جریانهای ناپایاError! Bookmark not defined.

گام زمانی صریحError! Bookmark not defined.

قدم زنی دوگانهError! Bookmark not defined.

4-4 روش چند شبکهError! Bookmark not defined.

4-4-1 تقریبError! Bookmark not defined.

اصول روش چند شبکه‌ایError! Bookmark not defined.

انتقال اطلاعاتError! Bookmark not defined.

چند شبکه‌ای بی‌سازمانError! Bookmark not defined.

4-3-3-4- چرخه‌های چند شبکهError! Bookmark not defined.

4-3-3-5- روش چند شبکه‌ای جبری (AMG)Error! Bookmark not defined.

4-4- مدلهای تابشی و حرارتیError! Bookmark not defined.

4-4-1- کاربردهای انتقال حرارت تشعشعیError! Bookmark not defined.

4-4-2- تشعشع خارجیError! Bookmark not defined.

4-4-3-  انتخاب یک مدل تشعشعError! Bookmark not defined.

4-4-4- مدل تابشی DTRMError! Bookmark not defined.

- تئوری و معادلات حاکم مدل DTRMError! Bookmark not defined.

مسیریابی پرتوError! Bookmark not defined.

دسته‌بندیError! Bookmark not defined.

شرط مرزی مدل DTRM در دیواره‌هاError! Bookmark not defined.

شرط مرزی مدل DTRM در ورودیها و خروجیهای جریانError! Bookmark not defined.

4-4-5- مدل تابشی P--1Error! Bookmark not defined.

تئوری و معادلات مدل P-1Error! Bookmark not defined.

- پراکندگی غیر همگنError! Bookmark not defined.

- اثرات ذره در مدل P-1Error! Bookmark not defined.

- شرط مرزی مدلP-1 در دیواره‌هاError! Bookmark not defined.

شرط مرزی مدل P-1 در ورودیها و خروجیهای جریانError! Bookmark not defined.

4-4-6- مدل تابشی راسلندError! Bookmark not defined.

- تئوری و معادلات مدل راسلندError! Bookmark not defined.

شرط مرزی راسلند در ورودیها و خروجیهای جریانError! Bookmark not defined.

4-4-7- مدل تابشی D OError! Bookmark not defined.

- تئوری و معادلات مدل DOError! Bookmark not defined.

4-5- جریانهای چندفازی55

4-5-1- مدل حجم سیال(VOF)56

4-5-1-1- تئوری مدل VOF57

میانیابی در مرز تقابل بین فازها58

- روش تجدید ساختار هندسی59

- روش Donor-Acceptor60

- روش صریح اولر60

- روش ضمنی61

- کشش سطح62

- چسبندگی دیواره63

4-5-2- چگونگی استفاده از مدل VOF64

- فعال سازی مدل VOF65

- تعریف فازها66

- فعال سازی کشش سطحی و چسبندگی دیواره66

- انتخاب فرمولاسیون VOF66

- چند مثال نمونه68

تنظیم پارامترهای شبیه‌سازی جریان ناپایا برای مدل VOF68

وارد کردن نیروی وزن در محاسبات VOF69

تعیین شرائط مرزی70

- تعیین شرائط اولیه کسرهای حجمی71

- استراتژیهای حل71

پس پردازش مدل VOF73

4-5-2- مدل کاویتاسیون73

4-5-2-1- تئوری مدل کاویتاسیون74

- معادله کسر حجمی74

- محاسبه انتقال جرم بین فازها75

4-5-2-2- چگونگی استفاده از مدل کاویتاسیون76

- فعال‌ کردن مدل کاویتاسیون76

- تعریف فازها77

- تنظیم پارامترهای مدلسازی کاویتاسیون77

- تأثیر نیروی وزن در محاسبات کاویتاسیون78

- تعیین شرائط مرزی78

- استراتژی حل78

4-5-3- مدل اختلاط خطای جبری (ASM)78

4-5-3-1- تئوری مدل اختلاط خطای جبری (ASM)79

- معادله کسر حجمی فاز ثانویه81

4-5-3-2- چگونگی استفاده از مدل ASM82

- فعال‌ کردن مدل ASM82

- تنظیم پارامترهای مدل ASM83

- تعیین شرائط مرزی83

- تعیین شرائط اولیه کسرهای حجمی84

- استراتژی حل84

فصل پنجم/سد انحرافی گرمسارError! Bookmark not defined.

5-1- سد انحرافی گرمسار:85

مقدمه:85

5-2- مشخصات جغرافیای و عمومی سد انحراف گرمسار86

فصل ششم/نتایج آنالیز جریان بر روی سرریز سد انحرافی گرمسار92

6-3 مراحل آنالیز جریان بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از برنامه Fluent93

6-3-1- تعریف کردن هدفهای شبیه‌سازی93

6-3-2- انتخاب مدل محاسباتی93

6-3-3- انتخاب مدل فیزیکی93

6-3-4- مراحل انجام پروژه تحقیقات:94

6-3-4-1 تولید شکل :94

6-3-4-2- شبکه بندی در نرم‌افزارهای پیش‌پردازنده:94

6-3-4-3- انواع شبکه‌ بندی96

6-3-4-4- شبکه‌بندی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار:97

6-3-4-5- بررسی شبکه‌بندی مدل سرریز اوجی انحرافی گرمسار98

6-3-5- تعیین شرایط مرزی برای شبکه‌بندی مدل سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار102

6-3-6- انتخاب شیوه محاسباتی و فرمول بندی حل مدل سرریز اوجی سد گرمسار در برنامه Fluent104

6-3-7- تعیین خواص سیال104

فصل هفتم/بحث و نتیجه‌گیری110

 نتیجه‌گیری و پیشنهادات :111

پیشنهادات:112

مراجع و منابع113