بررسی عددی خصوصیات جریان در سرریز لبه تیز با مقطع افقی مثلثی با زاویه رأس در پایین‌دست

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

2 استادیار گروه مهندسی عمران- مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

3 گروه مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

چکیده

سرریز لبه تیز قائم یکی از انواع سرریز‌ها می‌باشد که به دلیل الگوی جریان پایدار و سهولت در عبور جریان، دارای کاربرد گسترده‌ای می‌باشد. در پژوهش حاضر، مشخصات جریان عبوری از سرریز پیشنهادی لبه تیز افقی مثلثی، با زوایای رأس 30، 60، 90، 120، 150 و 180 درجه در پایین‌دست برای 10 دبی مختلف با استفاده از مدل عددی FLOW-3D شبیه­سازی شده است. در این راستا، پس از صحت­سنجی مقادیر ارتفاع جریان عبوری آب از روی سرریز با نتایج آزمایشگاهی معتبر، پارامترهای ضریب آبگذری، پروفیل فشار، سرعت در مقطع عرضی و خطوط جریان مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج صحت‌سنجی، حاکی از دقت بالای مدل آشفتگی RNG نسبت به سایر مدل‌های آشفتگی با ضریب همبستگی R2=0.9996 می­باشد. دیگر نتایج، نشان‌دهنده میانگین افزایش 6 درصدی ضریب آبگذری سرریز پیشنهادی در مقایسه با سرریز مدل آزمایشگاهی (سرریز با رأس در بالادست) است. در این میان، سرریز با زاویه 150 درجه، دارای بیشترین افزایش ضریب آبگذری در حدود 5/8 درصد می­باشد. با افزایش زاویه رأس از 30  به 150 درجه، محدوده فشار حداقلی، از نوک سرریز دور شده و به سمت پایین دست پیش­روی می­کند. بیشترین مقدار فشار در پایین دست سرریز برای سرریز با زاویه راس 120 درجه و با مقدار 1100 پاسکال مشاهده گردید. فشار کمینه 10 پاسکال نیز، در محدوده کوچکی از سرریز 150 درجه حاصل شد. با نزدیک شدن به نوک سرریز، جریان توأمان از کناره و نوک سرریز عبور کرده و دارای مقادیر سرعت زیادی است. بیشینه سرعت طولی با مقدار  53/1 متر بر ثانیه در سرریز 90 درجه مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of flow characteristics horizontal sharp edge triangular weir with vertex at downstream

نویسندگان [English]

  • Elham Babaei 1
  • hojat karami 2
  • Saeed Farzin 3
1 Department of Water Engineering and Hydraulic Structures,, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

One of these types of weir is the sharp edges overflow, which is widely used due to the current flow pattern and ease of flow pass. In the present study, the flow characteristics of the proposed horizontal sharp edge triangular overflow with different angles of 30, 60, 90, 120, 150 and 180 degrees at downstream are simulated for 10 different discharges using the FLOW-3D numerical model. In this regard, after validation of the amount of the flow depth over the weir with valid experimental results, parameters of the discharge coefficient, pressure profile, velocity in transverse section and flow pattern have been calculated and analyzed. The results indicated the high accuracy of RNG turbulence model compared with other turbulence models with correlation coefficient R2 = 0.9996. Other results showed that discharge coefficient of proposed weir increases with 6% in compared with experimental weir model (with vertex at upstream). Weir with 150-degree angle has the highest increment of discharge coefficient with about 8.5%. As the angle rises from 30 to 150 degrees, the minimum pressure range progresses from the tip of the weir and goes downwards. The maximum amount of pressure in the downstream of overflow was observed for weir with 120-degree angle with a value of 1100 Pascal. The minimum pressure of 10 pascal was obtained in a small range of 150-degree weir. As the flow approach to tip of the overflow, the flow passing from the side and tip of the overflow and has high velocity values. The maximum longitudinal velocity was observed with a value of 1.53 meter on second in a 90-degree overflow.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Pattern
  • Horizontal sharp edge triangular weir
  • Flow coefficient
  • Numerical Model
  • Flow-3D

حسینی، خ.، م. فضل اله نژاد، ح. کرمی و س. فرزین. 1395. تحلیل جریان در سرریز و سازه استهلاک انرژی سد گلورد نکا به کمک روش­های عددی. نشریه علمی پژوهشی سد و نیروگاه برق آبی. سال 3، شماره 11، ص 1-11.

حقی آبی،ا.، ب. عباسپور، ع. ملکی و ح. ترابی پوده. 1395. شبیه­سازی عددی الگوی جریان بر روی سرریزهای با مقطع افقی مثلثی و مقایسه با سرریز خطی با استفاده از نرم­افزار Flow-3D. مجله مهندسی منابع آب، دوره 9، شماره 29، ص 125-137.

حیدرپور، م.، س. ح. رضویان، ی. حسینی. 1393. مطالعه جریان همزمان از زیر یک دریچه‌ کشویی و روی یک سرریز لبه تیز ذوزنقه‌ای. مجله علوم آب و خاک دانشگاه صنعتی اصفهان. دوره 18، شماره 68، ص 147-156.

داود مقامی، د.، ح. بانژاد، م. صانعی و س. ا. محسنی موحد. 1396. مطالعه آزمایشگاهی و عددی مشخصات جریان عبوری از سرریز لبه­تیز در اثر بالاآمدگی بستر بالادست. نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک، سال 24، شماره 1، ص 265-278.

شبیه­سازی مسائل هیدرولیکی در Flow 3D. مولف: مهندس فیروز قاسم­زاده. 1396.

عامری، م.، ا. احمدی و ا. دهقانی. 1394. تعیین ضریب دبی سرریزهای جانبی لبه تیز مرکب مثلثی–مستطیلی. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک، سال 22، شماره 3، ص 105-120.

غفاری، س.، ا. اقبال‌زاده و م. جوان. 1395. بررسی عددی اثر عدد فرود بالادست بر الگو و مشخصات جریان در امتداد سرریز جانبی لبه تیز مستطیلی. مجله مهندسی عمران تربیت مدرس، دوره 16، شماره 2، ص 215-228.

فرزین، س.، ح. کرمی، ف. یحیوی و ش. نیّر. 1396. بررسی عددی مشخصات هیدرولیکی جریان اطراف سرریز لبه تیز قائم و مورب با شبیه سازی در نرم افزار Flow3D. پژوهش‌های عمران و محیط زیست، انتشار آنلاین، DOI:  10.22091/CER.2017.1661.1068.

Bagheri, S., and M. Heidarpour. 2010 Application of free vortex theory to estimating discharge coefficient for sharp-crested weirs. Biosystems engineering, 105(3): 423-427.

Borghei, S. M., Z. Vatannia, M. Ghodsian, and M. R. Jalili. 2003. Oblique rectangular sharp-crested weir. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water and Maritime Engineering, 156(3):185-191.

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

Esmaiyli varaki, M.,and M. Safarrazavizadeh. 2013. Study on hydraulic characteristics of flow over spillways Congress with semicircular plan. Journal of Water and Soil Science, 27(1): 224-234.

Falvey, H.T. 2003. Hydraulic design of labyrinth weirs. Reston VA: ASCE Press (American Society of Civil Engineers).

Hirt, C. W., and K. S. Chen. 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., and B. D. Nichols. 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics, 39(1): 201-225.

Hoseini, S. H. 2014. 3D Simulation of flow over a triangular broad-crested weir. Journal of River Engineering, 2(2): 1-7.

Kumar, S., Z. Ahmad, and T. Mansoor. 2011. A new approach to improve the discharging capacity of sharp-crested triangular plan form weirs. Flow Measurement and Instrumentation, 22(3): 175-180.

Kumar, S., Z. Ahmad, T. Mansoor, and S. K. Himanshu. 2012. Discharge characteristics of sharp crested weir of curved plan-form. Research Journal of Engineering Sciences ISSN, 1(4): 16-20.

Mangarulkar, K. 2010. Experimental and numerical study of the characteristics of side weir flows. PhD thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

Noori, B. M. A., and Aaref, N. T. 2017. Hydraulic Performance of Circular Crested Triangular Plan Form Weirs. Research Article – Civil Engineering. Arab J Sci Eng. DOI 10.1007/s13369-017-2566-3.

Rezaee, M., A. Emadi, and Q. Aqajani Mazandarani. 2016. Laboratory study overflow rectangular Congress. Journal of Water and Soil Science, 29(6): 1438-1446.