شبیه‌سازی سه‌بعدی مشخصات جریان فوق‌بحرانی در کانال‌های دایروی دارای سرریزجانبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی عمران آب. مرکز تحقیقات آب وفاضلاب، دانشگاه رازی، کرمانشاه

2 استادیار گروه مهندسی آب، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

چکیده

کانال­های دایروی دارای سرریزجانبی به‏شکل گسترده­ای برای تنظیم و کنترل عمق جریان در شبکه­های جمع­آوری فاضلاب شهری مورد استفاده قرار می­گیرند. در این مطالعه، آشفتگی میدان جریان و تغییرات سطح آزاد جریان فوق­بحرانی در داخل یک کانال دایروی دارای سرریزجانبی با استفاده از نرم‏افزار FLOW-3D، مدل آشفتگی RNG  و طرح VOF شبیه­سازی سه­بعدی شد. مقایسه بین نتایج شبیه­سازی و آزمایشگاهی نشان داد که مدل عددی، سطح آزاد و مشخصات میدان جریان را با دقت قابل قبولی شبیه­سازی کرده است. بر اساس نتایج شبیه­سازی عددی، عمق جریان در امتداد سرریزجانبی از ابتدای سرریز بسمت انتهای آن با کاهش همراه بود. در کلیه شبیه­سازی­ها یک افت سطح آزاد در ابتدای بالادست سرریزجانبی اتفاق افتاد. همچنین یک پرش سطحی در انتهای دهانه سرریزجانبی به وقوع پیوست. تغییرات انرژی مخصوص در طول سرریزجانبی برای رژیم جریان فوق­بحرانی تقریبا ثابت است و افت انرژی ناچیز می­باشد اما با افزایش طول سرریزجانبی اختلاف انرژی در بالادست و پائین­دست سرریزجانبی افزایش می­یابد. شبیه­سازی میدان سرعت نشان می­دهد که بیشینه مقدار سرعت طولی و عرضی جریان به‏ترتیب در انتها و وسط دهانه سرریزجانبی به وقوع پیوست. همچنین در هر مقطع عرضی، بیشینه سرعت قائم در مجاورت تاج سرریزجانبی اتفاق افتاد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

3D Simulation of Supercritical Flow Characteristics in Circular Channels with Side Weirs

نویسندگان [English]

  • H Azimi 1
  • S Shabanlou 2
1 M.Sc. of Water Engineering, Dept. of Civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Assist. Prof., Dept. of Water Engineering, Kermanshah, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

The circular channels with side weirs are widely used to regulate the flow and control the water depth in the urban sewage disposal systems. In this study, the turbulence of flow field and variation of the free surface of supercritical flow in a circular channel with a side weir are simulated using FLOW-3D software, the RNG k-ε turbulence model and VOF scheme. Comparison between the numerical simulation and laboratory measurements shows that the numerical model has simulated the free surface and flow field profile with reasonable accuracy. According to the numerical simulation, the flow depth is decreased along the side weir. In all simulations, a free surface drop has happened at the upstream beginning of the side weir. There is also a surface jump at the downstream end of the side weir. The change of specific energy along the side weir for the supercritical flow regime is almost constant and the energy loss is not significant but by increasing the side weir length the energy difference between the upstream and downstream of the side weir increases. The velocity field analysis indicates that the maximum longitudinal and lateral flow velocities happen at the end and middle of the side weir, respectively. Also in each cross-section, the maximum vertical velocity happens in vicinity of the side weir.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Circular channel
  • Flow field features
  • Side weir
  • Supercritical flow
  • 3D simulation
 
Allen JW, 1957. The discharge of water over side weirs in circular pipes. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 6(2): 270-287.
Aydin MC, 2012. CFD simulation of free-surface flow over triangular labyrinth side weir. Advances in Engineering Software 45(1): 159-166.
Aydin MC and Emiroglu ME, 2013. Determination of capacity of labyrinth side weir by CFD. Flow Measurement and Instrumentation 29(1): 1-8.
Azimi H, Shabanlou S and Salimi MS, 2014. Free surface and velocity field in a circular channel along the side weir in supercritical flow conditions. Flow Measurement and Instrumentation 38(1): 108-115.
Azimi H, Shabanlou S, Ebtehaj I and Bonakdari H, 2016. Discharge coefficient of rectangular side weirs on circular channels. International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation 17(7-8): 391-399.
Azimi H and Shabanlou S, 2016. Numerical simulation of flow free surface and field in circular channel along the sideweir in subcritical flow conditions. Water and Soil Science-University of Tabriz. 26(1-1): 225-238.
Borghei SM, Jalili MR and Ghodsian M, 1999. Discharge coefficient for sharp crested side-weirs in subcritical flow. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 125(10): 1051-1056.
De Marchi G, 1934, Essay on the performance of lateral weirs. L’Energia Electrica Milan 11(11): 849-860.
El-Khashab A and Smith KVH, 1976. Experimental investigation of flow over side weirs. Journal of Hydraulic Division ASCE 102(9): 1255-1268.
Emiroglu ME, Agaccioglu H and Kaya N, 2011. Discharging capacity of rectangular side weirs in straight open channels. Flow Measurement and Instrumentation 22(4): 319-330.
Granata F, Giovanni M, Rudy G and Carla, T, 2013. Novel approach for side weirs in supercritical flow. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE 139(8): 672-679.
Hager WH, 1994. Supercritical flow in circular-shaped side weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE 120(1): 1-12.
Mangarulkar K, 2010. Experimental and numerical study of the characteristics of side- weir flows. Master Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.
Oliveto G, Biggiero V and Fiorentino M, 2001. Hydraulic features of supercritical flow along prismatic side weirs. Journal of Hydraulic Research ASCE 39 (1): 73-82.
Pathirana KPP, Munas MM and Jaleel ALA, 2006. Discharge coefficient for sharp-crested side weir in supercritical flow. Journal of the Institution of Engineers 39(2): 17-24.
Qu J, 2005. Three dimensional turbulence modeling for free surface flows. PhD Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.
Ramamurthy AS, Zhu W and Vo, D. 1995. Rectangular lateral weirs in circular open channels. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 121(8): 608-612.
Tadayon R, 2009. Modeling curvilinear flows in hydraulic structures. PhD Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada
Uyumaz A and Muslu Y, 1985. Flow over side weirs in circular channels. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 111(1): 144-160.
Vatankhah AR, 2012. New solution method for water surface profile along a side weir in a circular channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE 138(10): 948-954.