مطالعه‌ی هیدرولیکی جریان دو فازی بر روی سرریزهای پله ای با شیب کم

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 7، دوره 9، شماره 28، فروردین و اردیبهشت 1395، صفحه 81-94   

نویسندگان

علی اکبر حکمت زاده^{* 1}؛ سید محراب امیری²؛ سروش پاپری³

¹استادیار دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز

²استادیار بخش راه و ساختمان و محیط زیست، دانشکده ی مهندسی، دانشگاه شیراز

³دانشجو کارشناسی ارشد دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شیراز

تاریخ دریافت: 05 تیر 1395،  تاریخ پذیرش: 05 تیر 1395 

چکیده

اخیرا سرریزهای پلکانی با شیب کم به علت مناسب بودن جهت اجرا بر روی سدهای خاکی مورد توجه قرار گرفته اند. مطالعات عددی کمی بر روی سرریزهای پلکانی با شیب کم صورت پذیرفته است. در این تحقیق، هیدرولیک جریان بر روی سرریز با روش دو فازی درهم (Mixture) شبیه سازی گردید. برای توصیف آشفتگی جریان، از مدل یک معادله ای Eddy Viscosity، مدل های دو معادله ای  k-ε،  RNG k-ε ، k-ω ، SST k-ω و مدل تنش رینولدز ω-RSM استفاده گردید. با مقایسه محاسبات عددی و داده های آزمایشگاهی نتیجه گرفته شد که مدل های آشفتگی k-ω و ω-RSM مناسب تر از سایر مدلهای آشفتگی می باشند. در ضمن مدل دو فازی درهم به خوبی هیدرولیک جریان بر روی این سرریزها را شبیه سازی کرد. بعلاوه تاثیر شیب سرریز، دبی جریان و ارتفاع پله های سرریز بر میزان هدر رفت انرژی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با کاهش شیب سرریز، کاهش دبی جریان و افزایش ارتفاع پله، هدر رفت انرژی افزایش یافت.بطوریکه در دبی در واحد عرض 234/0 با تغییر زاویه ی شیب سرریز از 6/26 درجه به 9/8، درجه میزان اتلاف انرژی سرریز از 39 درصد به حدود 50 درصد افزایش پیدا کرد.

کلیدواژه‌ها

سرریز پلکانی با شیب کم؛ جریان دو فازی؛ شبیه سازی آشفتگی؛ مدل تنش رینولدز

عنوان مقاله [English]

Hydraulic study of two phase flow on low-gradient stepped spillways

نویسندگان [English]

Ali Akbar Hekmatzadeh¹؛ Seyed Mehrab Amiri²؛ Soroush Papari³

چکیده [English]

Recently, low gradient stepped spillways, which can be constructed on the embankment dams, have been getting high attention owing to their easy implementation. A few numerical researches have been conducted to simulate the flow hydraulic on stepped spillways. In this study, the air water flow was simulated using two-phase mixture model. Six models of turbulence including Eddy viscosity, k-ε, RNG k-ε, k-ω, SST k-ω, and ω-RSM were applied to describe the turbulence of flow. According to the results of numerical and experimental tests, it was found that k-w and ω-RSM are superior to describe the turbulence of flow. Moreover, the mixture two-phase model described the experimental data successfully. In addition, the effects of spillway slope, flow discharge, and step height in the amount of energy dissipation were examined. It was concluded that the energy dissipation increases with a rise in the step height and a reduction in the slope and the flow discharge. In the unit discharge of 2.34, the energy dissipation increased from 39 to 50 percent with decreasing the spillway slope from 26.6 to 8.9 degree.

کلیدواژه‌ها [English]

Low gradient stepped spillway, Two-phase flow, Turbulence modeling, Reynolds stress model

مراجع

1. جوان م.، صادق فام س.، اقبال زاده ا. 1392. مقایسه روش های اختلاطی و حجم سیال برای شبیه سازی عددی اختلاط آب و هوا در جریان غیر ریزشی روی سرریزهای پلکانی. نشریه ی پژوهش های حفاطت آب و خاک. جلد بیستم. شماره چهارم.
   1. Abbasi S., Kamanbedast A.A. 2012. Investigation of Effect of Changes in Dimension and Hydraulic of Stepped Spillways for Maximization Energy Dissipation. World Applied Sciences Journal. 18(2): 261-267.
   2. Achari A.M., Das M.K. 2015. Application of various RANS based models towards predicting turbulent slot jet impingement. International Journal of Thermal Sciences. 98:332-351.‏
   3. Amador A., Sánchez-Juny M., Dolz J. 2009. Developing flow region and pressure fluctuations on steeply sloping stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 135(12):1092-1100.
   4. Amamou A., Habli S., Saïd N.M., Bournot P., Palec G. 2015. Numerical study of turbulent round jet in a uniform counterflow using a second order Reynolds Stress Model. Journal of Hydro-environment Research. 9(4): 1-14.‏
   5. Chamani M., Rajaratnam N. 1999. Characteristics of skimming flow over stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 125(4): 361-368.
   6. Chanson H. 2002. The hydraulics of stepped chutes and spillways. Swets & Zeitlinger B.V., Lisse. Australia.
   7. Chen Q., Dai G., Liu H. 2002. Volume of fluid model for turbulence numerical simulation of stepped spillway overflow. Journal of Hydraulic Engineering. 128(7):683-688.
   8. Cheng X., Chen Y., Luo L. 2006. Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways. Science in China Series E: Technological Sciences. 49(6):674-684.
   9. Chinnarasri C., Wongwises S. 2004. Flow regimes and energy loss on chutes with upward inclined steps. Canadian Journal of Civil Engineering. 31(5): 870-879.
   10. Felder S. 2013. Air-water flow properties on stepped spillways for embankment dams: Aeration, energy dissipation and turbulence on uniform, non-uniform and pooled stepped chutes, Ph.D.thesis, University of Queensland, Australia.
   11. Felder S., Chanson H. 2013. Aeration, flow instabilities, and residual energy on pooled stepped spillways of embankment dams. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139(10): 880-887.
   12. Felder S., Chanson H. 2011. Energy dissipation down a stepped spillway with nonuniform step heights. Journal of Hydraulic Engineering. 137(11): 1543-1548.
   13. Fox R.W., McDonald A.T., Pritchard P.J. 1985. Introduction to fluid mechanics. Vol 7. New York: John Wiley & Sons.
   14. Gonzalez C.A., Chanson H. 2008. Turbulence manipulation in air–water flows on a stepped chute: An experimental study European Journal of Mechanics-B/Fluids. 27(4):388-408.
   15. FEMA P-1015. 2014. Technical manual: Overtopping protection for dams: Best Practices for Design, Construction, Problem Identification and Evaluation, Inspection, Maintenance, Renovation, and Repair, FEMA.
   16. Morovati K., Eghbalzadeh A., Javan M. 2015. Numerical investigation of the configuration of the pools on the flow pattern passing over pooled stepped spillway in skimming flow regime. Journal of Acta Mechanica:1-14.
   17. Nikseresht A., Talebbeydokhti N., Rezaei M. 2013 .Numerical simulation of two-phase flow on step-pool spillways. Journal of Scientia Iranica. 20(2): 222-230.
   18. Rajaratnam N. 1990. Skimming flow in stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 116(4): 587-591.
   19. Rice C.E., Kadavy K.C. 1996 .Model study of a roller compacted concrete stepped spillway. Journal of Hydraulic Engineering. 122(6): 292-297.
   20. Rodi W. 2000 .Turbulence Models and Their Application in Hydraulics A State-of-art review. Third Edition, A.A Balkema. Rotterdam.
   21. Shahheydari H., JafariNodoshan E., Barati R., Azhdary Moghadam M. 2014 .Discharge coefficient and energy dissipation over stepped spillway under skimming flow regime. KSCE Journal of Civil Engineering. 19(4): 1174-1182.
   22. Sorensen R.M. 1985. Stepped spillway hydraulic model investigation. Journal of hydraulic Engineering. 111(12): 1461-1472.
   23. ZhongDong Q., XiaoQing H., WenXin H., António A. 2009. Numerical simulation and analysis of water flow over stepped spillways. Science in China Series E:Technological Sciences. 52(7): 1958-1965.