دانلود پایان نامه
5-4-2 ضریب فشار مینیمم CP min 93
5-4-3 شدت توربولانسی 95
5-4-4 پروفیلهای سرعت 96
5-4-5 پروفیلهای فشار 100
5-5 کارایی مدل های عددی دو بعدی و سه بعدی در شبیه سازی جریان عبوری از روی رمپ 103
5-5-1 حالت بدون هوادهی 103
5-5-2 حالت با هوادهی 104
6 نتیجه گیری و پیشنهادات 106
فصل اول
مقدمه
مقدمه
مقدمه
بشر از دیرباز با ساخت سد ها جهت رفع نیازهای آبی خود آشنا بوده است. از قرن گذشته با گسترش علم و تکنولوژی، ساخت انواع مختلف سدهای بلند با مهار جریان های سطحی جهت تأمین نیازهای آب کشاورزی، صنعتی، شرب و کنترل سیلاب و تولید نیروی برقآبی توسعه یافت. در این سدها سرریز به عنوان یکی از سازه های هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیه ی سیلاب های ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پایین دست را به عهده دارد. یکی از مشکلات عمده مطرح در سرریز سدهای بلند مسئله ی احتمال وقوع پدیده ی کاویتاسیون و تخریب های ناشی از آن در بستر و جداره ی بتنی سرریزهاست که نه تنها عملکرد هیدرولیکی این سازه ها و سد را دچار اخلال می نماید بلکه خسارات قابل توجهی را به سازه ی سرریز وارد می نماید. ازجمله سرریزهایی که در اثر بروز این پدیده دچار آسیب گردیده اند می توان به سرریز تونلی سد گلن کانیون در آمریکا و سرریز آزاد سد کارون1 در کشورمان اشاره نمود.
در سرریز سدهای بلند به دلیل بالا بودن سرعت جریان (بیش از m/s 20) هرگونه تغییر در هندسه ی مجرا، زبری بستر و جدار، انحنا در مسیر جریان و وجود درزهای اجرایی در جدار موجب جداشدگی جریان از جداره ی مجرا و کاسته شدن موضعی فشار از میزان فشار بخار آب می گردد. در این صورت با بروز پدیده ی کاویتاسیون، آب در دمای محیطی خود از حالت مایع به حالت به بخار تبدیل و حباب های کاویتاسیون (حباب های بخار آب) تشکیل می شوند که با حرکت همراه آب به مناطق با فشار بالا از بین می روند. اضمحلال این حباب های کاویتاسیون که توأم با تولید موج های فشاری قوی ناشی از انفجار حباب ها و آزاد شدن مقدار قابل توجه انرژی می باشد، اگر در نزدیکی جداره ی سرریز رخ دهد باعث فرسایش و خوردگی سطح بتنی سرریز گردیده و در صورت تداوم، خسارات هنگفتی را به جداره و سازه وارد می نماید.
تحقیقات صورت گرفته در زمینه ی بررسی پدیده ی کاویتاسیون و روشهای پیشگیری از آن در سرریزها نشان داده است که استفاده از بتن مقاوم و اصلاح انحنا و جداره جریان، سرریزهای پلکانی و هوادهی به جریان از روشهای مناسب جهت پیشگیری وقوع این پدیده و کاهش خسارات ناشی از آن میباشند که در این بین موثرترین و اقتصادی ترین روش برای پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از این پدیده، هوادهی می باشد.
ورود هوا به داخل جریان در سرریزها باعث تغییر بسیاری از خصوصیات جریان میشود که از جمله آنها میتوان به تغییرات در چگالی جریان، تغییرات سرعت و فشار و تغییر وضعیت توربولانسی جریان اشاره کرد که برخی از این تغییرات مفید و برخی دیگر برای سیستم هیدرولیکی مورد مطالعه مضر میباشند.
هزینه گزاف و مدت زمان طولانی احداث سازههای هیدرولیکی و توجه به اینکه هنوز انجام آزمایش کماکان به عنوان دقیقترین روش در بررسی مسائل و مشکلات پیش روی اینگونه سازهها مطرح میباشد، محققان و طراحان را بر آن داشته تا با شبیه سازی جریان واقعی بر روی مدلهای فیزیکی و انجام آزمایشات گوناگون در پی مرتفع کردن مشکلات و مسائل مذکور باشند. بدین دلیل استفاده از مدلهای عددی در دهههای اخیر بسیار توسعه یافته است.
مهمترین امتیاز یک برآورد محاسباتی عددی، هزینه پایین و سرعت قابل ملاحظه آن است. همچنین حل عددی مسائل، اطلاعات کامل و جزئیات لازم را به ما خواهد داد و مقادیر متغیرهای مربوطه را در سراسر حوزه مورد مطالعه به دست میدهد. برخلاف شرایط نامطلوبی که ضمن آزمایش پیش میآید، مکانهای غیرقابل دسترس در کارهای محاسباتی عددی کم میباشد. بدیهی است از هیچ بررسی آزمایشگاهی نمیتوان انتظار داشت تا تمام متغیرهای دخیل در پدیده مورد مطالعه را در کل میدان جریان اندازه گیری نماید بنابراین جهت تکمیل اطلاعات آزمایشگاهی، حل عددی هم زمان نیز ضرورت پیدا میکند.
بیان مسئله
سال های مدیدی است که حوادث مربوط به پدیده ی کاویتاسیون ذهن مهندسان را در نقاط مختلف جهان به خود معطوف کرده است. پدیده ی کاویتاسیون پدیده ی نام آشنایی است که در اکثر سازه های هیدرولیکی که در معرض جریان هایی با سرعت بالا قرار دارند ازجمله سرریز سدها، به عنوان یک خطر و چالش بزرگ مهندسی تلقی می شود. البته لازم به ذکر است که عامل موثر بر روی این پدیده تنها به سرعت محدود نمی شود و وجود مجموعه ای از عوامل متعدد منجر به وقوع این پدیده می گردد.
در سرریزهای بلند در نواحی انتهایی، سرعت جریان فوق العاده افزایش و عمق جریان کاهش می یابد. ترکیب این عوامل باعث کاهش شاخص کاویتاسیون می گردد. در نتیجه نقطه ای از سازه با نامنظمی نرمال می تواند تبدیل به نقطه ی شروع کاویتاسیون در سازه گردد. در چنین حالتی این امکان وجود دارد که با کاهش سرعت جریان و یا با افزایش فشار جریان در مرزها از وقوع این پدیده جلوگیری کرد. توجه به این امر ضروری است که شکل هندسی سرریز نیز در وقوع و یا عدم وقوع پدیده ی کاویتاسیون نقش قابل ملاحظه ای ایفا می کند. برای جلوگیری از وقوع پدیده ی کاویتاسیون باید موقعیت نقاطی را که در آن ها ممکن است با افزایش سرعت، فشار تا حد فشار بخار مایع کاهش می یابد، شناسایی کرد.
هوادهی جریان به عنوان عامل موثر در از بین بردن یا کاهش تخریبهای ناشی از کاویتاسیون در سرریزهای آزاد و تونلی تحتفشار، تاثیر قابل توجهی بر روی ساختار هیدرولیکی جریان از جمله میدانهای فشار و سرعت داشته و در سالهای اخیر شناخت صحیح الگوی جریان و تاثیرات ناشی از هوادهی در سرریزهای تحتفشار دارای سیستم هواده، از جمله مباحث مورد مطالعه تعدادی از محققین بوده و به علت پیچیدگی خاص جریانهای دو فازی و روشن نبودن دقیق ارتباط میان هوادهی جریان با کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون، هنوز به مطالعات دامنهداری در خصوص این موضوع نیاز میباشد.