بررسی عددی روند استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی با استفاده از روش حجم محدود

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده فنی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 گروه عمران، دانشکده فنی، دانشگاه محقق اردبیلی

3 دانشگاه محقق اردبیلی

10.22125/iwe.2021.133675

چکیده

هدف این مقاله، بررسی استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی به روش عددی توسط نرم افزار ANSYS CFX  می‌باشد. برای گسسته‌سازی معادلات از روش حجم محدود مبتنی بر المان و جهت کوپل کردن ترم‌های سرعت و فشار، الگوریتم تکراری SIMPLE به‌کار گرفته شده و میدان حل جریان تا رسیدن باقیمانده‌ها به مقدار  5-10 ادامه یافته است. برای ارزیابی آشفتگی از مدل  با بهره‌گیری از قابلیت نرم‌افزار CFX جهت مدل‌سازی اختلاط دو فاز آب- هوا و سطح آزاد جریان به نامFree Surface  استفاده شده است. برای انجام صحت سنجی و نشان دادن قابلیت نرم افزار، در ابتدا یک سرریز لبه‌پهن مدل شده و نتایج مدل حل با مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. سپس دو مدل سرریز پلکانی با آستانه ورودی سرریز اوجی و لبه‌پهن انتخاب شده و تحلیل به ازای دبی‌های مختلف انجام گرفته است. با توجه به نتایج و بررسی روند استهلاک انرژی در سرریزهای لبه‌پهن و پلکانی و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی، می‌توان دریافت که روش عددی هم مانند روش آزمایشگاهی توانایی ارائه نتایج قابل قبول در آنالیز میدان جریان در انواع سرریز پلکانی را دارا می‌باشد و از نتایج آنها می توان برای پیش‌بینی رفتار جریان برای شرایط مختلف استفاده کرد. نتایج حاصل از مدل عددی ارائه شده، بازدهی و قابلیت مناسب سرریزهای پلکانی را در استهلاک انرژی نشان داد. برای مدل با آستانه سرریز اوجی میزان استهلاک برای دامنه دبی انتخاب شده از 80 تا 90 درصد و برای مدل با آستانه سرریز لبه‌پهن از 55 تا 80 درصد به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of the energy dissipation process in stepped spillways using finite volume method

نویسندگان [English]

  • Majid Pasbani Khiavi 1
  • Mortaza Ali Ghorbani 2
  • Milad Yusefi 3
1 Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 . Assistant Professor in Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili,
3 University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

The purpose of this paper is to investigate the energy dissipation in stepped spillways using numerical method with ANSYS CFX software. In this study, finite volume method based on element was applied for modeling and the SIMPLE iterative algorithm was applied to couple the velocity and pressure terms. Field of flow solution was continued until reaching to remaining with amount of 10-5. The RNG k-ε model was used to evaluate the turbulence using CFX software to model the mixing of two-phase water-air and free-surface flow called Free Surface. This research has been continuously analyzed. To perform the validation and capability of software, at first a broad-crested weir mode were modeled and the results of model were compared with the laboratory model. Then the laboratory model of stepped spillway was selected and analyzed for various discharge. Consider to results of the energy dissipation in stepped spillway and broad-crested weir and comparing with experimental results, it can be concluded that numerical method as well as laboratory method has the ability to provide acceptable results in field analysis of flow in different types of stepped spillways and their results can be used to predict flow behavior for different conditions. The results of the presented numerical model showed the appropriate efficiency of stepped overflows in energy dissipation. For the model with the ogee crest, the dissipation rate for the selected flow discharge obtained from 80 to 90% and for the model with the broad cast weir, the energy dissipation obtained from 55 to 80%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy dissipation
  • Stepped spillway
  • Broad-crested weir
  • ANSYS CFX
حیدری ارجلو، س. 1387. بهینه سازی تعداد پلکان‌ها در سرریز‌های پلکانی با استفاده از مدل‌های فیزیکی. پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.
 Chen, Q., G. Dai and H. Liu. 2002. Volume of fluid model for turbulence numerical simulation of stepped spillway overflow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 128(7): 683-688.
Chatila, J. and M. Tabbara. 2004. Computational modeling of flow over an ogee spillway. Computers and Structures, 82(22): 1805–1812.
4 Tabbara, M., J. Chatila and R. Awwad. 2005. Computational simulation of flow over stepped spillways. Journal of Computers and Structures, 83(27): 2215-2224.
 Chanson, H. 1994. Comparison of energy dissipation in nappe and skimming flow regimes on stepped chutes. Journal of Hydraulic Research, 32(2): 213-218
Chanson, H. and L. Toombes. 2001. Experimental investigations of air entrainment in transition and skimming flows down a stepped chute. Canadian Journal of Civil Engineering, 29(1): 145-156.
Boes, R.M.and W.H. Hager. 2003. Hydraulic design of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 129(9): 671- 679.
Chinnarasi, C. and S. Wongwises. 2006. Flow patterns and energy dissipation over various stepped chutes. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 132(1): 70-76.
Chamani, M.R. and N. Rajaratnam. 1994. Jet flow on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 120(2): 254-259.
Chamani, M.R. and N. Rajaratnam. 1999. Characteristics of skimming flow over stepped spillway. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(4):361-368.
 Daneshfaraz, R., B. Kaya, S. Sadeghfam and H. Sadeghi. 2014. Simulation of flow over ogee and stepped spillways and comparison of finite element volume and finite element methods. Journal of water resource and hydraulic engineering, 3(2): 37-47.
Parsaie, A., A.H. Haghiabi, M. Saneie and h. Torabi.  2016. Prediction of energy dissipation on the stepped spillway using the multivariate adaptive regression splines. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 22(3): 2811-292.
Roushangar, K., S. Akhgar, F. Salmasi and J. Shiri. 2017. Neural networks- and neuro-fuzzy-based determination of influential parameters on energy dissipation over stepped spillways under nappe flow regime. ISH J Hydraulic Engineering, 23(1):57–62.
Salmasi, F., A. Samadi. 2018. Experimental and numerical simulation of flow over stepped spillways. Applied Water Science, 8(229): 1-11.
Parsaie, A. and A.H. Haghiabi. 2019. The hydraulic investigation of circular crested stepped spillway. Flow Measurement and Instrumentation, 70: 101624.
Parsaie, A. and A.H. Haghiabi. 2019. Evaluation of energy dissipation on stepped spillway using evolutionary computing. Applied Water Science, 9: 144.
Ghaderi, A., A. Daneshfaraz, M. Torabi and, J. Abraham. 2020. Experimental investigation on effective scouring parameters downstream from stepped spillways. Water Supply, 20(4): 1-1
Daneshfaraz, R., E. Aminvash, R. Esmaeli, S. Sadeghfam and J. Abraham. 2020a. Experimental and numerical investigation for energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions. Journal of Groundwater Science and Engineering, 8(4): 396-406.
Daneshfaraz, R., R. Ghaderi, A.A. Akhtari and S. Francesco. 2020b. On the Effect of block roughness in ogee spillways with flip buckets. Fluids, 4(5): 182.
. Daneshfaraz, R., M. Dasineh, A. Ghaderi and S. Sadeghfam. 2019. Numerical modeling of hydraulic properties of sloped broad crested Weir. AUT Journal of Civil Engineering, In Press, doi: 10.22060/ajce.2019.16184.5574.
Kirkgoz, M.S., M. Akoz and A. Oner. 2008. Experimental and theoretical analyses of two-dimensional flow upstream of broad-crested weirs. Canadian journal of civil engineering, 35(9): 975-986.