شبیه سازی عددی غلظت هوا در جریان غیر ریزشی روی سرریزهای پلکانی

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 4، دوره 5، شماره 12، فروردین و اردیبهشت 1391، صفحه 51-73   

نویسندگان

یاسر میناتور^{* 1}؛ افشین اقبال زاده²؛ میترا جوان³

¹دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران - مهندسی آب، دانشگاه رازی کرمانشاه

²- استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه رازی کرمانشاه - پژوهشکده تحقیقات پیشرفته آب و فاضلاب، دانشگاه رازی کرمانشاه

³استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه رازی کرمانشاه - پژوهشکده تحقیقات پیشرفته آب و فاضلاب، دانشگاه رازی کرمانشاه

تاریخ دریافت: 17 دی 1394،  تاریخ پذیرش: 17 دی 1394 

چکیده

در مطالعه ی حاضر، سطح آزاد و الگوی جریان عبوری از روی سرریزهای پلکانی، در نظام جریان غیر ریزشی با استفاده از نرم افزار فلوئنت و استفاده از شبیه های سطح آزاد VOF و Mixture و شبیه های آشفتگی k-ε Standard، k-ε RNG، k-ε Realizable و RSM شبیه سازی گردیده است. برای صحت سنجی شبیه عددی، از نتایج توزیع سرعت و غلظت به دست آمده از شبیه آزمایشگاهی آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه کوئینزلند استرالیا که در سال 2002الف به وسیله ی چانسون و تومبیز انجام گردیده، استفاده شده است. مقایسه دستاوردها نشان می دهد که نتایج به دست آمده از شبیه سازی عددی در دو روش VOF و Mixture با استفاده از شبیه های آشفتگی فوق، در تطابق مناسبی با یکدیگر و با نتایج آزمایشگاهی می باشند. بطور کلی، در توزیع غلظت، شبیه آشفتگی k-ε Standard برای بده های زیاد به نتایج بدتری می رسد، و برای بده های پایینتر مشابه سایر شبیه ها عمل می کند، ولی در توزیع سرعت شبیه آشفتگی k-ε Standard نتایج بهتری را ارائه می-دهد. الگوی جریان آب و هوای تشکیل شده در شبیه های Mixture و VOF یکسان می باشد، ولی زمان همگرایی شبیه Mixture در مقایسه با شبیه VOF کمتر و شبیه آشفتگی RSM داری بیشترین زمان همگرایی و شبیه آشفتگی k-ε Standard دارای کمترین زمان همگرایی در هر دو شبیه VOF و Mixture می باشد. همچنین، از بین روزنه های مختلف، روزنه ی غیر یکنواخت Tri pave بهترین نتایج را بدست می دهد.
 

کلیدواژه‌ها

سرریز پلکانی؛ شبیه سازی عددی؛ شبیه های آشفتگی. شبیه Mixture؛ شبیه VOF

مراجع

1. Barani, G. A., Rahnama, M. B., andSohrabipoor, N. 2005. Investigation ofFlow Energy Dissipation over Different

Stepped Spillways. Am. J. Appl. Sci. 2:1101-1105.

2. Baylar, A., Emiroglu, M. E, and Bagatur,T. 2006. An experimental investigation ofaeration performance in steppedspillways. Water Environ. J. 20: 35–42.

3. Baylar, A., Bagatur, T., and Emiroglu, M.E. 2007. Prediction of oxygen content ofnappe, transition, and skimming flowregimes in stepped-channel chutes. JEnviron. Eng. Sci. 6: 201-208.

4. Boes, R. M., and Hager, W. H. 2003a.Two-Phase Flow Characteristics ofStepped Spillways. J. Hydraul. Eng.ASCE. 129: 661-670.

5. Boes, R. M., and Hager, W. H. 2003b.Hydraulic Design of Stepped Spillways. J.Hydraul. Eng. ASCE. 129: 671-679.

6. Carosi, G., and Chanson, H. (2008).Turbulence characteristics in skimmingflows on stepped spillways. Can. J. Civil.Eng. 35: 865-880.

7. Chamani, M. R, and Rajaratnam, N. 1999.Characteristics of kimming flow overstepped spillways. Journal of hydraulicsEngineering. ASCE. 125: 361-368. 

8. Chanson, H. 1993. Stepped SpillwayFlows and Air Entrainment. Can. J. CivilEng. 20: 422-435.

9. Chanson, H. 2002. The Hydraulics ofStepped Chutes and Spillways. BalkemaPublisher, Lisse, The Netherlands.

10. Chanson, H. 2004. Hydraulics of steppedchutes: The transition flow L’hydrauliquedes chutes en marches d’escalier:

L’écoulement de transition. J. Hydraul.Res. 42: 43–54.

11. Chanson, H., and Toombes, L. 1997. FlowAeration at Stepped Cascades. CE155,Department of Civil Engineering, theUniversity of Queensland.

12. Chanson, H., and Toombes, L. 2002a.Experimental investigations of airentrainment in transition and skimming

flows down a stepped chute. Can. J.Civil. Eng. 29: 145–156.

13. Chanson, H., Toombes, L. 2002b. Air–water flows down stepped chutes:turbulence and flow structureobservations. Int. J. Multiphas Flow. 28:1737–1761.

14. Cheng, X., Chen, Y., and Luo, L. 2006.Numerical simulation of air-water twophaseflow over stepped spillways. Sci.China Ser. E. 49: 674 – 684.

15. Chen, Q., Dai, G., and Liu, H. 2002.Volume of fluid model for turbulentnumerical simulation of stepped spillway

over flow. Journal of hydraulicsEngineering. ASCE. 128: 683-688.

16. Dong, Z. Y., and Lee, J. H. W. 2006.Numerical simulation of skimming flowover mild stepped channel. J.Hydrodyn.18: 367-371.

17. Fathi, A., Bina, M., and Musavi–Jahromi, H. 2009. Survey the effect ofdownstream crest chute slope on thenatural air entrainment point inskimming flow in stepped spillway.Journal of Water and Soil(Agricultural sciences andtechnology). 23: 156-167 (In persion).

18. Felder, S., and Chanson, H. 2009. Energydissipation, flow resistance and gas-liquidinterfacial area in skimming flows onmoderate-slope stepped spillways.Environmental Fluid Mechanics. 9: 427–441.

19. Fluent. Fluent 6.3 user guide. 2006. FluentInc.

20. Hirt, C. W., Nichols, B. D. 1981. Volumeof fluid (VOF) method for the dynamicsof free boundaries. J. Comput. Phys. 39:201-225.

21. Kisi, O., Emiroglu, M. E, and Baylar, A.2008. Flow Regime Prediction in SteppedChannels Using Neural ComputingTechnique. Int. J. Sci. Technol..118: 109-121.

22. Launder, B., and Spalding, D. B. 1974.Lectures in Mathematical Models ofTurbulence. Academic Press Inc, London.

23. Manninen, M., Taivassalo, V., and Kallio,S. 1996. On the Mixture Model forMultiphase Flow. VTT Publications288.Technical Research Centre ofFinland. 288: 1-65.

24. Peras, L., Royet, P., and Degoutte, G.1991. Ecoulement et dissipation sur lesdéversoirs en gradins de gabions. LaHouille Blanche. 1: 37-47.

25. Peyras, L., Royet, P., and Degoutte, G.1992. Flow and Energy Dissipation overStepped Gabion Weirs. J. Hydraul.Eng.ASCE. 118: 707-717.

26. Rajaratnam, N. 1990. Skimming flow instepped spillways. J. Hydraul. Eng.ASCE.. 116: 587- 595.

27. Salmasi, F., Bina, M., and Musavi–Jahromi, H. 2003. Evaluation ofenergy dissipation of flow overstepped spillway using physicalmodel. The Scientific Journal ofAgriculture. 26: 57-71 (In persion). 

28. Shih, T. H., Liou, W. W., Shabbir, A., andZhu, J. 1995. A New k-ε Eddy ViscosityModel for High Reynolds NumberTurbulent Flows. Comput. Fluids. 24:227-238.

29. Sorensen, R. M. 1985. Stepped spillwayhydraulic model investigation. J. Hydraul.Eng. ASCE. 111: 1461- 1472.

30. Tabbara, M., Chatila, J., and Awwad, R.2005. Computational simulation of flowover stepped spillways. Comput. Struct.83: 2215-2224.

31. Vali- Samani, M., and Nezarzadeh, M.2004. Evaluation of hydraulicgoverning principles and design ofstepped spillways. journal of faculty ofengineering (university of Tehran). 38:339-347 (In persion).

32. Warsi, Z. U. A. 2000. Fluid Dynamics:Theoreticaland ComputationalApproaches, CRC Press.

33. Yakhot, V., and Orszag, S. A. 1986.Renormalization group analysis ofturbulence. I. Basic theory. J. Sci.Comput. 1: 3-51.