دانلود پایان نامه

ضرورت و هدف از انجام تحقیق
به منظور ذخیره آبهای سطحی جهت مصارف گوناگون، طراحی سدهای بلند و سرریزها با افزایش چشمگیری همراه بوده است. مرور مراجع حاکی از آن است که در سالهای اخیر مطالعات فراوانی بر روی پدیده کاویتاسیون، راههای پیشگیری از وقوع آن و کاهش خسارات ناشی از این پدیده بر روی مدلهای هیدرولیکی و عددی سرریزهای آزاد صورت گرفته است. در حالی که مدلسازی جریان به صورت عددی در سرریزهای تونلی تحت فشار به همراه سازه هواده و مطالعات مربوط به وضعیت جریان دو فازی آب و هوا در این سرریزها بسیار اندک میباشد. لذا شناخت و درک بیشتر میدانهای فشار و سرعت جریان در نزدیکی سازه هواده سرریز تونلی تحت فشار و تاثیر هندسه رمپ هواده و درصدهای مختلف هوادهی بر روی جریان به مطالعات بیشتری نیاز دارد.
در این تحقیق به شبیه سازی عددی جریان عبوری از روی رمپ هواده تعبیه شده در کف داکت تحت فشار پرداخته شده است. ابتدا به تحلیل عددی مشخصههای هیدرولیکی جریان در حالت بدون هوادهی مانند طول ناحیه چرخش ایجاد شده در پاییندست رمپ، شدت توربولانسی، ضرایب فشار در کف داکت و پروفیلهای سرعت و فشار در مقاطع مختلف قبل و بعد از رمپ اقدام میشود. سپس به مطالعه تاثیر ورود هوا در درصدهای مختلف بر روی پارامترهای مختلف جریان خصوصا پروفیلهای سرعت و ضرایب فشار پرداخته میشود. هدف کلی این تحقیق درک صحیح پدیدههای هیدرولیکی به وقوع پیوسته در جریان دو فازی آب و هوا در نزدیکی هواده سرریز تونلی میباشد.
ساختار پایاننامه
مطالب این پایاننامه علاوه بر فصل مقدمه اخیر، در خصوص موضوعات زیر نگارش گردیده است :
فصل دوم : در این فصل کلیات و ادبیات پیشینه موضوع تحقیق گردآوری شده که در آن ماهیت پدیده کاویتاسیون و خسارات ناشی از آن بحث شده است. همچنین هوادهی به جریان نیز به عنوان یکی از مهمترین روشهای پیشگیری از پدیده کاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفته و مجموعه نظریات محققین پیشین در این رابطه گردآوری شده است
فصل سوم : ضمن معرفی مدل آزمایشگاهی در این فصل، معادلات حاکم بر جریان و مدلهای توربولانسی مورد استفاده نیز آورده شده است. همچنین روش انجام تحقیق حاضر و نحوه شبیه سازی عددی جریان تشریح گردیده است.
فصل چهارم : در این فصل ابتدا مقایسهای ما بین نتایج حاصل از مدل عددی با نتایج نظیر آزمایشگاهی صورت گرفته و سپس نتایج مربوط به حالت بدون هوادهی ارائه شده است. همچنین نتایج حاصله با نتایج و نظریات محققین دیگر مقایسه شده است.
فصل پنجم : نتایج مربوط به تاثیر ورود هوا بر روی مشخصههای جریان در این فصل ارائه شده است. در این فصل نیز نتایج حاصله با نتایج و نظریات محققین دیگر مقایسه شده است.
فصل ششم : در این فصل نتیجه گیری نهایی آمده است. در پایان پیشنهاداتی جهت ادامه کار در خصوص موضوع تحقیق اخیر داده شده است.
فصل دوم
ادبیات فنی و پیشینه موضوع
ادبیات فنی و پیشینه موضوع
مقدمه
با توجه به اینکه نحوهی وقوع پدیده کاویتاسیون در سرریزهای تونلی به طور کامل شناخته شده نمیباشد و از طرفی بخش عمده خسارتهای این پدیده مربوط به سرریزها میباشد لذا در این فصل ابتدا به بررسی پدیده کاویتاسیون، مشخصات و خسارتهای آن و روشهای پیشگیری از ایجاد این پدیده و راههای جلوگیری از خسارت ناشی از آن پرداخته شده و سپس در ادامه به نحوهی ورود هوا به داخل جریان توسط سازههای هواده و تاثیر آن در جریان پرداخته میشود. در انتهای این فصل نیز تحقیقات انجام شده در رابطه با کاویتاسیون و هوادهی جریان مرور خواهد شد.
تعاریف و اصول اساسی حاکم بر پدیده کاویتاسیون
به طور معمول پدیده کاویتاسیون به صورت تشکیل فاز بخار در مایع تعریف میگردد که اولین بار کلمه کاویتاسیون توسط فرود به این پدیده اطلاق شد. این لغت میتواند برای هر شرایطی که در آن حبابهای ریز بخار تشکیل شده و سپس به اندازههای بزرگتر میرسند به کار گرفته شود. تشکیل فاز بخار (حبابها) و گسترش آن به طور مستقیم به کاهش فشار موضعی تا محدوده فشار بخار فاز مایع بستگی دارد. در اینجا پدیده کاویتاسیون و علل وقوع آن و معیار به کار رفته در ارزیابی احتمال وقوع تخریب ناشی از این پدیده بررسی خواهد شد.
پدیده کاویتاسیون
پدیده ی کاویتاسیون اغلب با فرآیند جوشیدن آب در فشار اتمسفر مقایسه می شود. آب با افزایش دما در فشار ثابت به جوش آمده و از حالت مایع به گاز تبدیل می شود. با کاهش فشار منطقه، آب در دمای کمتری به جوش می آید. پدیده ی کاویتاسیون برخلاف فرآیند جوشیدن آب، در دمای ثابت و در اثر کاهش فشار موضعی سیال به وقوع می پیوندد. کاویتاسیون پدیده ای است که در فشارهای موضعی پایین به وقوع می پیوندد و باعث ایجاد خرابی و حفره در سازه ها می شود. در یک سیستم هیدرولیکی با افزایش سرعت جریان، فشار موضعی جریان کاهش می یابد و این کاهش فشار امکان دارد تا حد فشار بخار سیال ادامه یابد تا حدی که سیال به حالت بخار درآید. همچنین احتمال دارد که در طول سرریز و یا مستهلک کننده ی انرژی در اثر وجود ناصافی ها و یا ناهمواری های موجود در کف، وجود درزهای اجرایی و انبساط و انقباض خطوط جریان از بستر خود جداشده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در محل جداشدگی کاهش یافته و حتی ممکن است به فشار بخار سیال برسد و سیال در دمای ثابت از حالت مایع به بخار تبدیل شود. حباب های بخار تولیدشده پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه ای با فشار بالا رسیده و با از بین رفتن آنها که توام با سر و صدا و امواج ضربهای میباشد، انرژی قابل توجهی آزاد میگردد. امواج ضربه ای ایجادشده به مرز بین سیال و سازه ضربه های شدیدی وارد می کنند و منجر به ایجاد فرسایش و خوردگی روی مرز جامد سازه می شوند. تبدیل مجدد حباب ها به مایع و فشار حاصله از انفجار آن ها گاها به 1500 مگا پاسکال می رسد. این فرآیند در یک مدت زمان کوتاهی به وقوع می پیوندد و در اثر تداوم و تکرار زیاد وقوع آن، بستر سرریزها دچار خوردگی می شود و به تدریج این خوردگی ها به حفره های بزرگ تبدیل می شوند و ادامه ی این روند ممکن است منجر به خرابی سازه ی مورد نظر گردد. (Falvey, 1990)
محققین مختلفی در مورد این پدیده اظهار نظر کردهاند از جمله آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد. فالوی (1990) در مورد کاویتاسیون چنین بیان میکند که فرآیندی است که معمولا با دو فاکتور خسارت به سطوح و صدای زیاد همراه است و در تعریف دقیق این پدیده به تشکیل حبابهای بخار در مایع اشاره میکند. حال اگر حبابهای تشکیل شده از بخار آب پر شده باشند به آن کاویتاسیون بخاری و اگر از گازهای غیر از بخار آب پر شده باشند به آن کاویتاسیون گازی گفته میشود.
رهمیر (1981) تاثیر بر عملکرد بسیاری از سازهها و تاسیسات مانند کاهش میزان آبگذری جریان در سرریز سدها، کاهش بازده توربینها و پمپها، سروصدا، ارتعاش و تغییر شرایط جریان را از اثرات رایج و مخرب پدیده کاویتاسیون برشمرده است.
آرنت (1981) در مورد پدیدهی کاویتاسیون عنوان داشت که این پدیده با پدیده جوشش یک تفاوت اساسی دارد و آن در نحوه تشکیل شدن حبابهاست، بدین صورت که کاویتاسیون در اثر کاهش فشار موضعی با ثابت ماندن دما حاصل میگردد در حالی که پدیده جوشش در اثر افزایش دما با ثابت ماندن فشار به وجود میآید. وی همچنین بیان کرد که خسارات ناشی ارتعاش حاصل از پدیده کاویتاسیون شامل خسارت در مقادیر کوچک مانند سوراخ شدن جزء موردنظر در مدت زمان زیاد تا خسارتهای بسیار بزرگ در مدت زمان کوتاه میشود.