نشریه علمی هیدرولیک

نشریه علمی هیدرولیک

مدل‌سازی عددی الگوی جریان در سرریزهای اوجی همراه با کالورت در شرایط جریان آزاد

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان
گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
چکیده
اندازه‌گیری دبی و سازه‌های کنترل جریان به‌طور گسترده‌ای در کاربردهای مهندسی هیدرولیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. هدف این مطالعه، مدل‌سازی عددی از جریان عبوری از سیستم ترکیبی سرریز اوجی با استاندارد USBR و سازه کالورت به عنوان شکاف در بدنه سد می‌باشد. علاوه بر این، به‌منظور بررسی الگوی جریان، اثر قرارگیری این کالورت در چهار حالت ارتفاعی مختلف در بدنه سرریز اوجی در نسبت‌های متفاوتی از دبی مورد بررسی قرار گرفت. برای انجام شبیه‌سازی‌های عددی، معادلات ناویر-استوکس میانگین‌گیری شده (RANS) با استفاده از روش حجم محدود در نرم‌افزار Flow-3D حل شده‌اند. ارزیابی داده‌های آزمایشگاهی و یافته‌های عددی برای سرریز اوجی بدون کالورت نشان می‌دهد که با استفاده از مدل آشفتگی K-\omega اختلاف پروفیل سطح آب با آماره‌های ضریب تبین (R2) و مجذور میانگین مربعات خطا (RMSE) به ترتیب مقدار 97/0 و 0112/0 تطابق دارند. به‌طورکلی نتایج نشان می‌دهد در حالت به‌کارگیری دو کالورت حداکثر سرعت جریان به میزان 40 درصد در پنجه سرریز اوجی کاهش داشته و به میزان 14 درصد موقعیت آن بالاتر از حالت سرریز بدون کالورت می‌باشد. بررسی عدد فرود در این حالت نشان می‌دهد که رژیم جریان را به دلیل کاهش مومنتوم به‌صورت پرش هیدرولیک مستغرق در پنجه سرریز تشکیل می‌شود. همچنین نتایج نشان می‌دهد در دبی کم، جایی که نقش کالورت برجسته‌تر بوده و سهم بیشتری از جریان کل از آن عبور می‌کند، افزایش سه برابری دبی منجر به کاهش افت کلی انرژی تا 30 درصد می‌شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Alhamid, A.A. (1999). Analysis and formulation of flow through combined V-notch-gate-device. Journal of Hydraulic Research, 37(5), 697–705. https://doi.org/10.1080/00221689909498524.
Altan‐Sakarya, A.B., Kokpinar, M.A. & Duru, A. (2020). Numerical modelling of contracted sharp‐crested weirs and combined weir and gate systems. Irrigation and Drainage, 69(4), 854–864. https://doi.org/10.1002/ird.2468.
Altan-Sakarya, A.B. & Kökpınar, M.A. (2013). Computation of discharge for simultaneous flow over weirs and below gates (H-weirs). Flow Measurement and Instrumentation, 29, 32–38.
Azimi, A.H. & Rajaratnam, N. (2009). Discharge Characteristics of Weirs of Finite Crest Length. Journal of Hydraulic Engineering, 135(12), 1081–1085. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000117.
Azimi, A.H., Rajaratnam, N. & Zhu, D.Z. (2012). A note on sharp-crested weirs and weirs of finite crest length. Canadian Journal of Civil Engineering, 39(11), 1234–1237. https://doi.org/10.1139/l2012-106.
Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., Vallés-Morán, F. ​José & López-Jiménez, P.A. (2016). Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environmental Modelling & Software, 80, 322–335. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.018.
Bung, D.B., Crookston, B.M. & Valero, D. (2021). Turbulent free-surface monitoring with an RGB-D sensor: The hydraulic jump case. Journal of Hydraulic Research, 59(5), 779–790. https://doi.org/10.1080/00221686.2020.1844810.
Cable, M. (2009). An evaluation of turbulence models for the numerical study of forced and natural convective flow in Atria, PhD Thesis, Queen’s University.
Dehdar-behbahani, S. & Parsaie, A. (2016). Numerical modeling of flow pattern in dam spillway’s guide wall. Case study: Balaroud dam, Iran. Alexandria Engineering Journal, 55(1), 467–473. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.01.006
Ferro, V. (2000). Simultaneous Flow over and under a Gate. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126(3), 190–193. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9437(2000)126:3(190).
Gumus, V., Simsek, O., Soydan, N.G., Akoz, M.S. & Kirkgoz, M.S. (2016). Numerical Modeling of Submerged Hydraulic Jump from a Sluice Gate. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 142(1), 04015037. https://doi.org/10.1061/(ASCE) IR.1943-4774.0000948.
Hargreaves, D.M., Morvan, H.P. & Wright, N.G. (2007). Validation of the Volume of Fluid Method for Free Surface Calculation: The Broad-Crested Weir. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 1(2), 136–146. https://doi.org /10.1080/19942060.2007.11015188.
Hayawi, H.A.M., Yahia, A.A.G. & Hayawi, G.A. M. (2008). Free combined flow over a triangular weir and under rectangular gate. Damascus University Journal, 24(1), 9–22.
Hirt, C.W. & Nichols, B.D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5.
Hirt, C.W. & Sicilian, J.M. (1985). A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, 4th. https:// trid.trb.org/View/394627.
Jalil, S.A. & Sarhan, S.A. (2013). Experimental study of combined oblique weir and gate structure. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 8(4), 306–315.
Kocaer, Ö. & Yarar, A. (2020). Experimental and Numerical Investigation of Flow Over Ogee Spillway. Water Resources Management, 34(13), 3949–3965. https://doi.org/10.1007/s11269-020-02558-9.
Masoudian, M., Fendreski, R. & Gharahgezlou, M. (2013). The effects of laboratory canal size and cylindrical weir-gate diameter on discharge coefficient. Technical Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(15), 1630–1634.
McCorquodale, J.A. & Khalifa, A. (1983). Internal Flow in Hydraulic Jumps. Journal of Hydraulic Engineering, 109(5), 684–701. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9429(1983)109:5(684).
Negm, A.-A.M., Al-Brahim, A.M. & Alhamid, A.A. (2002). Combined-free flow over weirs and below gates. Journal of Hydraulic Research, 40(3), 359–365. https://doi.org/10.1080/00221680209499950
Norouzi Banis, Y. (1992). Simultaneous underflow and over flow past a vertical gate, PhD Thesis. M.Sc. thesis, Dept. of Civil Engineering, Roorkee Univ.
Nouri, M., Sihag, P., Kisi, O., Hemmati, M., Shahid, S. & Adnan, R.M. (2022). Prediction of the Discharge Coefficient in Compound Broad-Crested-Weir Gate by Supervised Data Mining Techniques. Sustainability, 15(1), 433. https://doi.org/10.3390 /su15010433.
Safarzadeh, A. & Mohajeri, S.H. (2018). Hydrodynamics of Rectangular Broad-Crested Porous Weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 144(10), 04018028. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001338.
Salehi, S. & Azimi, A.H. (2019). Discharge Characteristics of Weir-Orifice and Weir-Gate Structures. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 145(11), 04019025. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001421.
Samani, J.M. & Mazaheri, M. (2009). Combined Flow over Weir and under Gate. Journal of Hydraulic Engineering, 135(3), 224–227. https:// doi.org/10.1061/(ASCE)0733-429(2009)135:3(224)
Severi, A., Masoudian, M., Kordi, E. & Roettcher, K. (2015). Discharge coefficient of combined-free over-under flow on a cylindrical weir-gate. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 21(1), 42–52. https://doi.org/10.1080/09715010.2014.939503.
Toozandehjani, M. & Kashefipour, M. (2012). Investigation of the head loss of ogee spillway and the length of hydraulic jump due to the confliction of the stream lines over the body of ogee spillway. Irrigation and Water Engineering, 2(4), 1–13. https://www.waterjournal.ir/article_70428_en.html.
Toozandehjani, M. & Kashefipour, M. (2013). Laboratory Investigation of the Effect of Diversion Dam Underflow on the Hydraulic Jump Characteristics. JWSS - Isfahan University of Technology, 16(62), 205–216. http://jstnar.iut.ac.ir/ article-1-2505-en.html.
Uyumaz, A. (1988). Scour Downstream of Vertical Gate. Journal of Hydraulic Engineering, 114(7), 811–816. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1988)114:7(811).
Yakhot, V. & Orszag, S.A. (1986). Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of Scientific Computing, 1(1), 3–51. https://doi.org/10.1007/BF01061452.

  • تاریخ دریافت 02 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 20 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 10 مرداد 1404