نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب دانشگاه رازی

2 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه رازی

چکیده

سرریزهای پلکانی از جمله سازه‌های هیدرولیکی هستند که به دلیل اتلاف زیاد انـرژی جریـان، نقش مهمی در کاهش ابعاد حوضچه‌ آرامش پایین‌دست سدها و در نتیجه طراحی اقتصادی آن‌ها دارند. مطالعه و بررسی خصوصیات هیدرولیکی جریان روی این سرریزها مورد توجه طراحان سد در دهه‌های اخیر بوده است. استفاده از مدل‌های فیزیکی و بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان بر روی سرریزهای پلکانی مستلزم صرف زمان و هزینه زیاد می‌باشد و مدل‌های ریاضی می‌توانند کمک شایانی به شناخت الگوی جریان بر روی این سازه‌ها کنند. در این پژوهش ابتدا نتایج خروجی مدل فلوئنت برای شبیه‌سازی تراز سطح آب، پروفیل سرعت و فشار بر روی سرریز پلکانی با داده‌های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. حداکثر خطای مطلق در محاسبه تراز سطح آب سه میلی‌متر و ریشه دوم میانگین مربعات خطا در شبیه‌سازی پروفیل سرعت و فشار به ترتیب 15/0 و 72/0 می‌باشد. پس از صحت‌سنجی مدل به بررسی تأثیر دبی و شیب پله‌ها بر خصوصیات هیدرولیکی جریان پرداخته شد. نتایج تحقیق نشان می‌دهند، حداکثر فشار که بر روی قسمت افقی پله‌ها اتفاق می‌افتد با افزایش دبی عبوری از سرریز پلکانی افزایش، اما حداقل فشار که در بخش عمودی پله‌ها رخ می‌دهد مقداری کاهش می‌یابد. بنابراین احتمال کاویتاسیون در دبی‌های زیاد و در قسمت عمودی پله‌ها بیشتر است. براساس نتایج این پژوهش، میزان استهلاک انرژی در جریان غیر‌ریزشی با افزایش شیب کف پله‌ها بدلیل افزایش تلاطم و بزرگ‌ شدن گردابه‌ها افزایش می‌یابد اما ازدیاد شیب پله‌ها تأثیر چندانی بر الگوی توزیع فشار انرژی ندارد. با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی و نتایج خروجی از مدل فلوئنت برای محاسبه استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی شیبدار رابطه‌ای ارائه شد که متوسط خطای آن حدود 1/3 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of Energy Dissipation and Hydraulic Characteristics of Flow on Simple and Inclined Stepped Spillways using FLUENT Model

نویسندگان [English]

  • Elham Fazeli 1
  • Mohammad Mehdi Heidari 2

1 Former M.Sc. Student, Department of Water Engineering, Razi University, Iran

2 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Razi University, Iran

چکیده [English]

Stepped spillways are hydraulic structures which due to the high energy loss of flow have important role in reducing dimensions of stilling basin of downstream of the dams and consequently their economical design. The dam designers tended to study  the characteristics of flow on this type of spillways in recent decades. Horizontal steps, inclined steps, and steps with end sills may be used in stepped spillways. The energy loss of flow on stepped chute depends on the total discharge per unit width of chute, the total flow head, the step height, the step length, the gravitational acceleration, and the height characteristics of the step. For the inclined step, the height characteristics  is the increment of step above the horizontal level or the angles of step.
The objective of the study is to compare the relative energy dissipation between horizontal steps and inclined steps and find the optimal energy dissipation efficiency for flow on stepped chutes. In this paper, the effect of angles of inclined step, relative critical depth, and relative discharge on the relative energy dissipation over stepped spillways are investigated and discussed, too. To achieve this goal, first the FLUENT model’s output results for simulation of flow passing over a stepped spillway are validated using the experimental data, and then effect of the of angles of inclined step is examined. Also, an equation for the estimate of the relative energy dissipation for inclined stepped spillways was developed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cavitation
  • Fluent Model
  • Friction Coefficient
  • Navier-Stokes Equations
  • Two-Phase Flow

1-    Boes, R.M. and Hager, W.H., 2003. Hydraulic design of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 129(9), pp.671-679.

 

2-    Chamani, M.R. and Rajaratnam, N., 1999. Onset of skimming flow on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 125(9), pp.969–971.

 

3-    Chanson, H., 1994. Comparison of energy dissipation in nappe and skimming flow regimes on stepped chutes. Journal of Hydraulic Research, 32(2), pp.213-218.

 

4-    Chanson, H., 2001. A transition flow regime on stepped spillways: the facts. In 29th IAHR Congress, Tsinghua University, Beijing, China.

 

5-    Chanson, H., 2002. The Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways. Steenwijk, the Netherlands: A. A. Balkema Publishers.

 

6-    Chen, Q., Dai, G. and Liu, H., 2002. Volume of fluid model for turbulent numerical simulation of stepped spillway over flow. Journal of Hydraulic Engineering, 128(7), pp.683-688.

 

7-    Cheng, X., Chen, Y. and Luo, L., 2006. Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillway. Journal Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), pp.674-684.

 

8-    Chinnarasri, C. and Wongwisess, S., 2004. Flow regimes and energy losses on chutes with upward inclined steps. Canadian Journal of Civil Engineering, 31(5), pp.870-879.

 

9-    Chinnarasri, C. and Wongwisess, S., 2006. Flow patterns and energy dissipation over various stepped chutes. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 132(1), pp.70-76.

 

10- Javan, M., Sadeghfam, S. and Eghbalzadeh, A., 2013.Comparison of mixture and VOF methods for numerical simulation of air-entrainment in skimming flow over stepped spillways. Journal of Water and Soil Conservation, 20(4), pp.75-97. (In Persian).

 

11- Kherbache, K., Chesneau, X., Abide, S. and Benmamar, S., 2013. Modeling of a Water Flow Over Stepped Spillways. Machine Dynamics Research, 37(1), pp.47-64.

 

12- Naderi Rad, I., Talebbeydokhti, N. and Nikseresht, A.H., 2009. Investigation of energy dissipation over stepped spillways with horizontal, inclined and end sill steps by using numerical model. Journal of Civil and Environmental Engineering, 39(1), pp.53-66. (In Persian).

 

13- Rajaratnam, N., 1990. Skimming flow in stepped spillway. Journal of Hydraulic Engineering, 116(5), pp.587-591.

 

14- Salmasi, F., 2009. Effect of number of steps on energy dissipation of stepped spillways based on the new design approach. Journal of Water and Soil Science, 19(1), pp.27-38. (In Persian).

 

15- Sorensen, R.M., 1985. Stepped spillway hydraulic model investigation. Journal of Hydraulic Engineering, 111(12), pp.1461–1472.

 

16- Varjavand, A., Khosravi-Nia, P. and Salmasi, F., 2008. Investigation of energy dissipation in stepped spillway by using fluent numerical modeling. In 4th National Congress on Civil Engineering, Tehran University, Tehran, Iran. (In Persian).