بررسی عددی اثر همگرایی دیواره‌های سرریز روی مشخصات هیدرولیکی جریان در سرریز سد و احتمال وقوع پدیده ی کاویتاسیون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده ی مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استادیار و عضو هیئت علمی گروه مهندسی عمران دانشکده فنی دانشگاه ارومیه

3 3- کارشناسی ارشد عمران سازه های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه

چکیده

سابقه و هدف: سرریزها از مهمترین و حساسترین بخش ها در سازه سدها به شمار می آیند که وظیفه تخلیه دریاچه سد در مواقع اضطراری و سیلابی را بر عهده دارند. با وجود این که مطالعات زیادی برای شناخت مشخصات جریان بر روی سرریزها انجام شده است، اما اطلاعات اندکی در مورد تاثیر همگرایی دیواره های سرریز برروی مشخصه های هیدرولیکی جریان فوق بحرانی پاییندست تنداب و پتانسیل وقوع کاویتاسیون موجود است. برای کاهش هزینه‌های ساخت سرریزهای نسبتاً طولانی و همچنین لحاظ عوامل توپوگرافیکی، دیواره‌های سرریز را بخصوص در تنداب‌ها به‌ صورت همگرا اجرا می‌کنند. دراثر همگرایی دیواره ها و اندرکنش جریان سرریز با این دیواره ها، جریان فوق بحرانی موجی، شکل میگیرد که حاصل این اندرکنش، تشکیل امواجی در پاییندست سرریز و روی دیواره های تنداب می باشد. این پدیده، میدان جریان پاییندست را تحت تأثیر قرار داده، شرایط نامتعادل هیدرولیکی روی سرریز را باعث میشود و بنابراین ارتفاع امواج روی دیواره، طرح دیوارهای کناری تنداب را تحت تأثیر قرار داده و از این لحاظ پروفیل امواج روی دیواره نیز اهمیت می یابد.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D، مدل آشفتگی و روش حجم محدود به شبیه‌سازی جریان بر روی سرریز همگرا سد گاوشان پرداخته‌شده و سپس تأثیر همگرایی دیواره‌های سرریز سد گاوشان تحت زوایای مختلف همگرایی شامل 0، 1، 2، 5/2 و 3درجه بر مشخصه‌های هیدرولیکی جریان مانند نحوه توزیع سرعت متوسط، فشار متوسط کف و عمق متوسط جریان و همچنین احتمال وقوع کاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفت. برای صحت‌سنجی نتایج حاصل از تحلیل عددی، از نتایج آزمایشگاهی مدل هیدرولیکی سرریز استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج حاکی از افزایش سرعت متوسط و عمق متوسط جریان با افزایش جمع شدگی دیواره‌های سرریز می باشد. همچنین موقعیت مینیمم عمق جریان روی سرریز با افزایش جمع شدگی دیواره‌ها به تاج سرریزنزدیک‌تر می‌شود. جمع شدگی دیواره ها باعث ایجاد دو دسته موج های ثانویه در کناره ها و محور سرریز می شود که منجر به افزایش آشفتگی در جریان و افزایش ارتفاع دیواره های سرریز می شود.
نتیجه‌گیری: با افزایش زاویه همگرایی، عدد فرود در طول مسیر جریان کاهش می یابد. با بررسی مقادیر فشار مشخص شد که به علت بالاآمدن عمق جریان در امتداد دیواره ها، فشار نیز در نزدیک دیواره های شوت افزایش پیدا می کند. بعلاوه با محاسبه ی شاخص کاویتاسیون در مقاطع مختلف مدل عددی مشخص شد که با افزایش زاویه ی همگرایی، شاخص کاویتاسیون افزایش یافته و در نتیجه بالاترین ریسک پدیده ی کاویتاسیون برای مدل با حداقل زاویه ی همگرایی خواهد بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Study of Spillway Sidewall Convergence Effects on the Hydraulic Characteristics of Flow and Probability of occurrence of cavitation phenomenon

نویسندگان [English]

  • hamzeh ebrahimnezhadian 1
  • Mohammad Manafpour 2
  • vahid babazadeh 3
1 Phd student of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, Urmia University, urmia, Iran
2 Assistance Professor, Faculty of Civil Engineering, Urmia University,Urmia,Iran
3 MSc of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, Urmia University
چکیده [English]

Background and objectives: Spillways are one of the most important and most sensitive parts of the dams' structures, which are responsible for the drainage of the dam in emergencies and floods. Although many studies have been conducted to identify flow characteristics over the spillways, but little information is available on the effect of the convergence of spillway walls on the hydraulic characteristics of the supercritical flow downstream of the chute and the potential for cavitation occurrence. To Reduce the Cost of Long Spillways and also With Considering Topography, Spillways Side Walls Especially in Chutes is Execute Convergent. Due to the convergence of the walls and the interaction of the flow of spillway with these walls, the supercritical stream is formed, which the result of this interaction is the formation of waves at the downstream of the spillway and on the walls of the chute. This phenomenon affects the downstream flow, causes uneven hydraulic conditions on the spillway, and therefore the height of the waves on the wall affects the design of the walls of the chute, and in this regard, the profile of the waves on the wall is also important.
Materials and Methods: In this Study, using Flow-3D Software, Turbulence and Finite Volume Method, Flow Over Convergent Spillway of Gavshan Dam Simulated and Then, the effect of convergence of the spillway walls of Gavshan dam under different angles of convergence including 0, 1, 2, 2.5 and 3 degrees of convergence on hydraulic characteristics of the flow, such as the average velocity distribution, medium pressure and mean depth of flow, as well as the probability of occurrence of cavitation were investigated.. To verify the Numerical Result, Experimental Data of Hydraulic Model was used.
Results: The results showed that with Increasing in Convergence of Spillway side walls, the Average Speed and Depth of Flow Increased. Location of Minimum Depth of Flow on Spillways with Increasing Convergence on the side walls becomes closer to the Spillway Crest. Convergence of the side walls Creates Two Sets of Secondary wave in axes and corner of Spillways, which leads to an increase in the height of the Side walls.
Conclusion: With the Increasing Convergence Angle, Froude number Decreases along the Flow path. Also, through exploring the pressure values, it was relieved that due to the rise of the flow depth along the walls, the pressure increases near the chute walls accordingly. Furthermore, by calculating the cavitation number at different sections of each numerical model it is realized that as the convergence angle of the model narrows, the cavitation index increases and consequently, the highest cavitation risk will be spotted for the least convergent model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Convergence side walls
  • numerical simulation
  • Flow 3D Software
  • Cavitation
  • Turbulent Model