بررسی عددی تأثیر عدد فرود ورودی بر الگوی جریان در تبدیل‌های عریض‌شونده تدریجی در کانال‌های روباز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه رازی کرمانشاه

2 دانشجوی دکتری عمران - سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه رازی کرمانشاه

3 دانشیار دانشکده مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه رازی کرمانشاه

چکیده

تبدیل­ها به­طور معمول در کانال­های باز مصنوعی کاربرد دارند. با افزایش ابعاد تبدیل در راستای جریان، از سرعت جریان کاسته می­شود. تحت شرایط جریان زیر بحرانی دائمی، کاهش سرعت جریان منجر به افزایش فشار آب شده و همچنین گرادیان فشار معکوس می­شود. این موضوع، ناحیه جدایی جریان و حرکت گردابی آشفته را به­وجود آورده و باعث تلفات انرژی جریان می­شود. مدل­های فیزیکی به­­خاطر پیچیدگی جریان و همچنین تأثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم بر این مسأله نمی­باشند و لذا لازم است الگوی جریان به­صورت عددی در کنار مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی بررسی شود. در این مطالعه، الگوی جریان در امتداد تبدیل تدریجی عریض­شونده کانال­های مستطیلی به مستطیلی تحت جریان زیربحرانی با استفاده از مدل آشفتگی تنش رینولدز (RSM) ارائه شده در نرم­افزار فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است. پروفیل­­های سطح آب و سرعت جریان حاصل از دو روش در مقاطع مختلف تبدیل با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است که مقایسه این نتایج مطابقت خوبی را بین آنها نشان می­دهد. پس از صحت­سنجی مدل عددی، تأثیر عدد فرود ورودی بر قدرت جریان ثانویه ایجاد شده، بازده هیدرولیکی تبدیل، انرژی جنبشی آشفتگی و تنش برشی بستر در مقاطع مختلف تبدیل شبیه­سازی شده و نتایج نشان دادند که با افزایش عدد فرود بالادست، قدرت جریان ثانویه در امتداد تبدیل افزایش یافته و بازده تبدیل کاهش می­یابد. بالاترین بازده مربوط به عدد فرود 40/0 بوده و مقدار آن برابر 83/60 درصد می­باشد. همچنین، با افزایش عدد فرود، انرژی جنبشی آشفتگی و تنش برشی بستر افزایش یافتند، به­طوری­که از ورودی تبدیل به­سمت انتهای تبدیل، انرژی جنبشی آشفتگی برای تمامی اعداد فرود کاهش یافته و قدرت آشفتگی حدود 71/30% دچار کاهش گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of the Effect of Inflow Froude Number on Flow Pattern in Expansive Gradual Transitions in Open Channels

نویسندگان [English]

  • AA Akhtari 1
  • A Asnaashari 2
  • AA Dehghani 3
  • H Bonakdari 4
چکیده [English]

Transitions are commonly used structures in both natural and artificial open channels. With increasing the transition dimensions along the flow, the flow decelerates. Under subcritical steady state flow conditions, reducing the flow velocity increases the water pressure and reverses pressure gradient. This phenomenon creates separation zone and turbulent eddy flow, and causes the flow energy losses. Due to the complexity of flow pattern and scale effects, physical models can solely provide a clear understanding of the physical principles governing the flow field, so it is necessary to study flow pattern numerically along with the field and experimental studies. In this study, the flow pattern in a rectangular to rectangular expansive transition, has been simulated under subcritical flow with RSM turbulence model using Fluent software. Water surface and flow velocity profiles obtained by the two methods at different sections of transition were compared with experimental results. The results showed a good agreement between the simulated and experimental data. After validation of the numerical model, the effects of inflow Froude numbers on strength of secondary current, hydraulic efficiency of the transition, turbulent kinetic energy and bed shear stress at different cross sections were simulated. The results showed that with increasing the inflow Froude number, the strength of secondary current along the transition increased, while the hydraulic efficiency decreased. Maximum efficiency (60.83%) occurred in Fr1=0.40. Also, with increasing the Froude number, turbulent kinetic energy and bed shear stress increased, so that, from transition inlet to the outlet, turbulent kinetic energy for total Froude numbers decreased with a 30.71% reduction in turbulent power.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bed shear stress
  • Flow pattern
  • Fluent model
  • Gradual transition
  • Inflow Froude number

مراجع

صادقی ح، دانشفراز ر و بهمنش ج، 1392. بررسی خصوصیات پرش هیدرولیکی در تبدیل های همگرا. صفحه­های 1 تا 8،                 دوازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، 8 آبان ماه، دانشگاه تهران.
سیدیان س م و شفاعی بجستانم، 1390. تعیین ابعاد مجرای جریان و قدرت گرداب حلزونی در محل آبگیرهای جانبی. نشریه آب و فاضلاب، شماره 4، صفحه­های 83 تا 94.
Abbott DE and Kline SJ, 1962. Experimental investigation of subsonic turbulent flow over single and double backward facing steps. Journal of Basic Engineering 84(3): 317-325. 
Alauddin M and Basak BC, 2006. Development of an expansion transition in open channel sub-critical flow. Journal of Civil Engineering 34(2): 91-101.
Basak, BC and Alauddin M, 2010. Efficiency of an expansive transition in an open channel subcritical flow. DUET Journal., Dhaka University of Engineering & Technology: 27-32.        
Chaturvedi RS, 1963. Expansive subcritical flow in open channel transitions. Journal Institute of  Engineers India, 43(9): 447-487.   
Haque A, 2008. Some characteristics of open channel transition flow. M.Sc. Thesis, Civil Engineering, Concordia University.
Hartley GE, Jain JP and Bhattacharya AP, 1940. Report on the model experiments of fluming of bridges on Purwa branch.Technical Memorandum. 9, United Provinces Irrigation Res Inst, Lucknow (now at Roorkee), India: 94-110.           
Henderson FM, 1966. Open Channel Flow. Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ 07458.
Najafi Nejad Nasser A, 2011. An experimental investigation of flow energy losses in open-channel   expansions. M.Sc. Thesis, Civil Engineering, Concordia University. 
Najmeddin S, 2012. CFD modeling of turbulent flow in open-channel expansions, M.Sc. Thesis, Civil Engineering, Concordia University.
Nashta CF and Grade RJ, 1988. Subcritical flow in rigid-bed open channel expansions. Journal of Hydraulic Research 26(1): 49-65.
Olsen NRB, 2008. Numerical modelling and hydraulics. Department of Hydraulic and Environmental Engineering the Norwegian University of Science and Technology, ISBN: 82-7598-074-7.
Ramamurthy AS, Basak S, and Rao PR, 1970. Open channel expansions fitted with local hump. Journal of Hydraulics Division  ASCE 96(5): 1105–1113.
Versteeg HK, and Malalasekera W, 2007. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. ISBN: 978-0-13-127498-3, London.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار