آنالیز عددی مشخصه‌های جریان عبوری از سرریز استوانه‌ای با استفاده از مدل Flow3D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده عمران، گروه مهندسی آب و سازه هیدرولیکی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 دانشگاه سمنان، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی و مدیریت آب، گروه مهندسی آّب و سازه هیدرولیکی

4 مهندسی اب و سازه هیدرولیکی، گروه مهندسی آّب و سازه هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

 
چکیده
سرریز از رایج ترین وسایل اندازه گیری شدت جریان در مجاری روباز هستند. سرریز استوانه ای یکی از انواع  سرریز های لبه پهن می باشد که به دلیل الگوی جریان پایدار و سهولت عبور اجسام معلق دارای کاربرد گسترده ای می باشد. لذا در این بررسی، جریان بر روی سرریز استوانه‍ای با قطر 5/7 سانتی متر در کانال مستطیلی با استفاده از مدل آشفتگی 12k-خµ">  در نرم افزارFlow3D  به صورت سه بعدی شبیه‍سازی شد و با استفاده از نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی انجام گرفت. درصد خطایRMSE  حاصل از مقایسه ضریب دبی عددی با مقادیر فیزیکی 3427/0 به دست آمد که بیانگر تطابق بالای مشخصات هیدرولیکی به دست آمده از مدل عددی با نتایج مدل فیزیکی است. همچنین مشخص گردید که ضریب دبی برای سرریز استوانه‌ای به مقادیری بیش از 1 میل می‌کند. نسبت بی‌بعد هد آب به شعاع سرریز نیز پارامتری موثر بر ضریب دبی شناخته شد که رشد 100% آن موجب افزایش بیش از 100% ضریب دبی گردیده است. در مدل عددی سرریز استوانه‍ای، پارامترهای سرعت، فشار و عمق جریان و انرژی جنبشی و اشفتگی در مقاطعی از کانال با توجه به موقعیت سرریز بررسی و مقایسه شد. نتایج نشان می­دهد، عمق و فشار جریان در مقطع قبل از سرریز، مقادیری بزرگتری نسبت به مقادیر مربوط به مقطع بعد از سرریز دارند، لیکن نتایج مربوط به پارامتر سرعت، عکس فشار و عمق جریان می‍باشد. در نهایت رابطه‌ای جهت تعیین انرژی جنبشی جریان عبوری از سرریز استوانه‌ای ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of Flow Parameters over the Cylindrical Weir Using Flow3D Model

نویسندگان [English]

  • Hojat Karami 1
  • Saeed farzin 2
  • Elaham Zamiri 3
  • Shahab Nayyer 4
1 Assistant professor, Civil Engineering Faculty, Semnan University
2 Assistant professor, Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 M.S. student, Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
4 M.S. student, Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Cylindrical weir is one of the most common structures for measuring flow rate in open channels. Cylindrical weir is one type of broad-crested weirs that has extensive application due to its stable flow pattern and ease of passing suspended solids. Therefore, in this article, flow over a 7.5 cm diameter cylindrical weir in the rectangular channel was simulated using k-ε turbulence model in three-dimensional flow3D model. Validation was performed with experimental results. The obtained root mean square error of comparison between numerical discharge coefficient and physical values was 0.3427, which represents a good agreement of hydraulic characteristics obtained from numerical and physical models. It was also observed that discharge coefficient value of cylindrical weir was greater than 1.0. Dimensionless ratio of hydraulic head to crest radius was an effective parameter on discharge coefficient, such that its 100% increase enhances discharge coefficient more than 100%. In the numerical model of cylindrical weir, such parameters as velocity, pressure, flow depth and kinetic energy and turbulence were analyzed and compared in some sections of the channel with respect to the weir. Results showed that depth and pressure in the upstream have larger amounts than in the downstream. But, results of velocity were opposite the pressure and hydraulic head. Finally, a relationship was provided for determination of kinetic energy of the flow over the cylindrical weir.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Cylindrical weir
  • Discharge coefficient
  • Numerical modeling
  • Hydraulic characteristics
  • Flow-3D

منابع

    اسماعیلی، ک.،ب. نقوی، ف.کورش وحیدوج. یزدی. .1389 مدل سازی آزمایشگاهی و عددی الگوی جریان در سرریزهای استوانه­ای. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی) ، 24(1):166 -179.

    اسمعیلی ورکی، م.،م. صفررضوی زاده.1392. بررسی مشخصات هیدرولیکی جریان بر روی سرریزهای کنگره ای با پلان نیم­دایره ای. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)،27(1)،224-234.

   حسینی، خ.،م. تاج­نسایی، ا.، جعفری­ندوشن. 1394. ارزیابی اثرات هندسه سرریز پلکانی در میزاناستهلاک انرژی جریان عبوری با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم تفاضلی(DE)  (مطالعه موردی: سد UTE در ایالات متحده امریکا). نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، 45(1)، 78-91.

    حیدرپور، م.،م. چمنی.،ا خرمی. 1384. بررسی خصوصیات هیدرولیکی سرریزهای استوانه­ای و تاج دایره­ای. مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 12(6).

حیدری، م. و. احمدی محمدمهدی, و رحیم پور مجید. 1391. برآورد دبی جریان در مدل سرریز-دریچه مستطیلی با انقباض همگن در حالت دریچه آزاد و مستغرق.‎ فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران، 2(8): 66 -77.

 سوری، ا.، مسعودیان، م.، کردی، ا.،ک، راتچر. ک. 1393. بررسی آزمایشگاهی تغییرات ضریب دبی و افت انرژی در سرریز- دریچه استوانه ای با حرکت قائم. نشریه مهندسی  عمران و محیط زیست، 44(4): 65-78.

    شاهرخی، م. 1387. مقایسه انواع مدلهای توربولانس در جریانهای آشفته. چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه تهران، تهران، ایران، اردیبهشت، 1387.

   عباسپور، ا.، س. هاشمی­کیا. 1392. شبیه­سازی عددی جریان بر روی سرریز استوانه­ای با در نظر گرفتن مؤلفه­ی زبری با استفاده از شبیه K-Ɛ معیار.  مجله مهندسی منابع آب،6: 87-97.

    عشرتی، ط.،ر. فضل اولی، م. صانعی و ع.عمادی.1394. بررسی آزمایشگاهی عملکرد هیدرولیکی سرریز اوجی و کانال پایین­دست در شرایط قوس محوری. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 29(4): 874-885.

   علاسوند، ک.،ج. احدیان،ح فتحیان. 1390. بررس تاثیر زبری برروی استهلاک انرژی وسرریزهای پلکانی گابیونی، با استفاده از مدل ریاضی FLOW-3D. فصلنامه تخصصی علوم و مهندسی آب- دانشگاه آزاد اسلامی واحدعلوم و تحقیقات خوزستان، 1(3): 89-97.

علی زاده صنمی، ف.،م.،  مسعودیان، م.، صانعی. 2016. بررسی تغییرات افت انرژی جریان عبوری از سرریز-دریچه نیم استوانه ای با چرخش حول مرکز. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک, 23(2), 291-299.‎

   قره گزلو، م.، 1391. بررسی آزمایشگاهی جریان همزمان از مدل ترکیبی سرریز- دریچه ی استوانه ای، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران، 1391.

   ورجاوند، پ.،د. فرسادی زاده، پ. خسروی نیا، ز،. رفیعی.ز. 1385. شبیه سازی جریان در سرریزهای استوانه ای با استفاده از مدل Fluent­ و مقایسه نتایج با مدل فیزیکی. مجله دانش آب و خاک، 1/20(2): 59-69.

    هنر، ت.، ص. مظلوم شهرکی. 1393. تحلیل ضریب دبی سرریزهای جانبی استوانه­ای و نیم­استوانه­ای در جریان­های زیر بحرانی. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک، 18(69): 141-149.

   AbdulGabbar, E. 2011. Overflow characteristic of cylindrical shape crest weirs over horizontal bed. Tikrit Journal of Engineering Science (TJES), 18(4): 29-39.

   Al Babely, E. A. G. 2012. Behavior of the discharge coefficient for the overflow characteristics of oblique circular weirs. Tikrit Journal of Engineering Science (TJES)19(4): 54-63.

   Bos, M. G., & Nugteren, J. 1978. On irrigation efficiencies. International Institute for Land Reclamation and Improvement.

   Chanson, H., & Montes, J. S. 1998. Overflow characteristics of circular weirs: Effects of inflow conditions. Journal of irrigation and drainage engineering124(3): 152-162.

   Dabling, M. amd Tullis, B. 2012. Piano Key Weir Submergence in Channel Applications. J. Hydraul. Eng., 10.1061/ (ASCE) HY.1943-7900.0000563, 661-666.

   Dimitris, S., & Panayotis, P. 2010. Macroscopic turbulence models and their application in turbulent vegetated flows. Journal of Hydraulic Engineering, 137(3): 315-332

   Farzin, S., Karami, H., Zamiri, E., Nayyer, Sh. 2016. Three-dimensional modelling of flow over the cylindrical weir using Flow-3D software. 10th International River Engineering Conference, Shahid Chamran University, Ahwaz.

 FLOW-3D® user manual, Ver. 10.0.1.

  Heidarpour, M., & Chamani, M. R. 2006. Velocity distribution over cylindrical weirs. Journal of Hydraulic Research44(5): 708-711.

   Hirt, C. W., & Chen, K. S. 1996. Simulation of slide-coating flows using a fixed grid and a volume-of-fluid front-tracking technique: Startup and bead breakup (No. SAND--96-0443C; CONF-960225--1). Sandia National Labs. Albuquerque, NM (United States).

   Hirt, C. W., & Nichols, B. D. 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics39(1): 201-225.

   Hirt, C. W., & Richardson, J. E. 1999. The modeling of shallow flows. Flow Sci. Tech. Notes48: 1-14.

   Kabiri-Samani, A., & Bagheri, S. 2014. Discharge Coefficient of Circular-Crested Weirs Based on a Combination of Flow around a Cylinder and Circulation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering140(5) 04014010.

    Kim, D. G. (2016). Analysis of Overflow Characteristics around a Circular-Crested Weir by Using Numerical Model. Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 30(2), 147-154.

    Legates, D. R., & McCabe, G. J. 1999. Evaluating the use of “goodness‐of‐fit” measures in hydrologic and hydroclimatic model validation. Water resources research35(1), 233-241.

   Naghavi, B., Esmaili, K., Yazdi, J., & Vahid, F. K. 2011. An experimental and numerical study on hydraulic characteristics and theoretical equations of circular weirs. Canadian Journal of Civil Engineering38(12): 1327-1334.

   Ramamurthy, A. S., & Vo, N. D. 1993. Characteristics of circular-crested weir. Journal of hydraulic engineering, 119(9): 1055-1062.

  Samadi, A., Nejati, S., Azizi, S. H., & Bakhshayesh, B. O. 2014. Three dimensional simulation of flow for semi cylindrical weirs using fluent software.J Civil Eng Urban, 4(4): 397-401.

   Sabbagh-Yazdi, S. R., Rostami, F., & Mastorakis, N. E. (2007, December). Turbulent modeling effects on finite volume solution of three dimensional aerated hydraulic jumps using volume of fluid. In Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on Applied Mathematics. Stevens Point, Wisconsin, USA. Pp (pp. 168-174).

   Yin, B., Yu, S., Jia, H., & Yu, J. 2016. Numerical research of diesel spray and atomization coupled cavitation by Large Eddy Simulation (LES) under high injection pressure. International Journal of Heat and Fluid Flow: 59, 1-9.