مدل‌سازی ریاضی افت انرژی در سرریزهای پلکانی با استفاده از مدل عددی ANSYS-CFX

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز

2 دانشیار گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.

چکیده

در این تحقیق سرریز پلکانی با استفاده از مدل عددی CFX شبیه‌سازی شده و میزان استهلاک انرژی تحت تأثیر پارامترهای هندسی پلکان‌ها و دبی عبوری جریان از روی سرریز بررسی شده است. در این راستا برای مدل‌سازی آشفتگی جریان از مدل تلاطمی k-ε استاندارد استفاده گردیده است. برای دستیابی به اهداف این تحقیق، در ابتدا مدل‌های عددی CFX نسبت به یک مدل آزمایشگاهی مورد واسنجی و صحت‌سنجی قرار گرفتند. نتایج حاصل از واسنجی و صحت سنجی نشان داد که پاسخ‌های مدل عددی CFX تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. پس از آن میزان استهلاک نسبی انرژی به ازای تعداد پلکان‌ها، دبی‌ها و شیب‌های مختلف در مدل عددی CFX مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که در سرریز 10 پلکانی، دبی در واحد عرض50 لیتر بر ثانیه بر متر، کاهش استهلاک انرژی در اثر افزایش دو برابر دبی، 96/21 درصد و در اثر افزایش دو برابر شیب، 38/11 درصد و در اثر افزایش دو برابر تعداد پلکان‌ها، 80/5 درصد می‌باشد. همچنین نتایج حاصل از ارزیابی مدل‌های عددی نشان داد که افزایش دو برابری ارتفاع پله در یک سرریز، در صورتیکه شیب سرریز ثابت بماند و y_c/h برابر با دو باشد موجب افزایش استهلاک انرژی به میزان 61/23 درصد می‌شود. با توجه به نتایج بدست آمده در مجموع می‌توان عنوان کرد که مدل عددی CFXبه دلیل دقت بالای نتایج بدست آمده نسبت به نتایج آزمایشگاهی و همچنین هزینه کم محاسباتی می‌تواند جایگزین مناسبی برای برخی از روش‌های آزمایشگاهی پرهزینه و زمان‌بر باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Mathematical modeling of energy loss on Stepped Spillway Using ANSYS-CFX Numerical Model

نویسندگان [English]

  • Saeed Sarkamaryan 1
  • javad ahadiyan 2
1 Faculty of Civil Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz
2 Associate Professor, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran
چکیده [English]

The present study attempted to simulate a stepped spillway using the CFX numerical model and assessed the effect of geometrical parameters and discharge over the spillway on the amount of dissipated energy. To this end, the standard K-epsilon (k-ε) method was used as the turbulence model. The CFX numerical models were initially calibrated and validated with respect to a laboratory model. The calibration and validation results indicated that the responses of the CFX numerical model were in good agreement with the experimental results. The relative energy dissipation corresponding to the number of steps, discharges, and different slopes was studied in the CFX numerical model. The results suggest that in a stepped spillway with 10 steps and a discharge of 50 lit/s/m, the dissipated energy is reduced by 21.96%, 11.38%, and 5.80% by doubling the discharge, slope, and number of steps, respectively. Moreover, the evaluation results for the numerical models revealed that for a fixed spillway slope with y_c/h=2, a twofold increase in the step height increases the amount of dissipated energy by 23.61%. Generally, the results suggest that the numerical CFX model can be considered an appropriate alternative for some of the costly and time-consuming experimental methods due to its high-accuracy results and low computational costs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy dissipation
  • The number of steps
  • Stepped spillway
  • Spillway slope
  • CFX numerical model