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

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری عمران مهندسی و مدیریت منابع آب، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز.

2 دانشیار گروه سازه های 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 تحت­تأثیر پارامترهای هندسی پلکان‌ها و دبی عبوری جریان از روی سرریز بررسی شده است. در این زمینه 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 صحت­سنجی 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 CFXمورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که در سرریز ده 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، درصورتی­که شیب سرریز ثابت بماند و  برابر با دو باشد موجب افزایش استهلاک انرژی به میزان 61/23 درصد می‌شود. با توجه به نتایج بدست­آمده درمجموع می­توان عنوان کرد که مدل عددی  CFXبه دلیل دقت بالای نتایج بدست­آمده 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 Ph.D. Student of Water Resource Management and Engineering, Faculty of Civil Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.
2 Associate Professor , Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

    A stepped spillway consists of steps that start from near the crown and continue to downstream heel. Generally, the amount of energy dissipation in stepped spillway is more than the one of flat spillways (with no steps) with the same dimensions. The high amount of energy dissipation caused by steps allows reducing the depth of drilling of downstream stilling basin, length of stilling basin, and the height of sidewalls. This way, a considerable economic saving is achieved in the implementation of dams. Since spillways help reduce flow rate and increase intake airflow rate, they can be referred to as a combination of a spillway and an energy dissipater. Some of the studies on stepped spillways are as follows:
Launder and Spalding (1972); Olsen and Kjellesvig (1998); Chen et al. (2002); Tabbara et al. (2005); Dermawan et al. (2010); Sori and Mojtahedi. 2015; Haji azizi et al. (2016)
    So far, the studies on stepped spillways have been mostly on experimental and physical models. However, experimental and physical models are costly and sometimes have limitations such as required space and a large number of tests. This necessities consideration of further mathematical and numerical models. Several numerical models can be introduced to analyze flow on a stepped spillway. CFX is one of the numerical models. CFX has been known as one of the most robust software for fluid flow analysis and heat transfer. The finite volume method (FVM) is a numerical method to solve the governing differential equations, which is capable of simulating complexities of a turbulent flow on a spillway appropriately. On the other hand, CFX numerical model uses the coupled model, which increases the speed to achieve results considerably as compared to other numerical models. This research aims at simulating a stepped spillway using CFX numerical model and assessing the amount of energy dissipation under geometric parameters (such as spillway height, spillway gradient, number of steps, and height of steps) and hydraulic parameters (such as flow rate). The difference between this research and other studies can be attributed to the coherence and correlation in studying various components (geometric and hydraulic parameters) and the ability of CFX numerical number in replacing some of the costly and time-consuming tests.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy dissipation
  • The number of steps
  • Stepped spillway
  • Spillway slope
  • CFX numerical model
1- Cassidy, J.J., 1965. Irrotational flow over spillways of finite height. Journal of the Engineering Mechanics Division, 91(6), pp. 155-173.
 
2- Chanson, H. and Toombes, L., 2004. Hydraulics of stepped chutes: The transition flow. Journal of Hydraulic Research, 42(1), pp. 43-54.
 
3- Chen, Q., Dai, G. and Liu, H., 2002. Volume of fluid model for turbulence numerical simulation of stepped spillway overflow. Journal of Hydraulic Engineering, 128(7), pp.683-688.
 
4- Dermawan, V. and Anwar, N., 2010. Hydraulic model of flow conditions on stepped spillway due to number of steps. International Journal of Academic Research, 2(5), pp. 200-205.
 
5- Hajiazizi, S., Samadi, A. and Salmasi., F., 2016. Numerical study of flow on stepped spillway and its comparison with experimental results. Water and Soil Science, 26(2), pp.155-165. (In Persian).
 
6- Launder, B.E. and Spalding, D.B., 1972. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press.
 
7- Naderirad, A, Bidokhti, N. and NikSeresht, A., 2008. Comparison of energy dissipation in stepped spillway with Ogee spillway by VOF numerical method. In 3th National civil Engineering Conference, Tabriz University, Tabriz, Iran. (In Persian).
 
8- Olsen, N.R. and Kjellesvig, H.M., 1998. Three-dimensional numerical flow modelling for estimation of spillway capacity. Journal of Hydraulic Research, 36(5), pp.775-784.
 
9- Roshan, R., Azamathulla, H.M., Marosi, M., Sarkardeh, H., Pahlavan, H. and Ab Ghani, A., 2010. Hydraulics of stepped spillways with different numbers of steps. Journal of Dams and Reservoirs, 20(3), pp.131-136.
 
10- Salmasi, F., 2003. Hydraulic assessment stepped spillways using physical models. Ph.D Thesis. Shahid Chamran University of Ahvaz. (In Persian).
 
11- Sori, N. and Mojtahedi, A., 2015.  Investigation of effects of the geometry on rate of energy dissipation of the flow over the stepped spillway using fuzzy inference systems. Journal of Civil and Environmental Engineering, 80(3), pp. 25-39. (In Persian).
 
12- Tabbara, M., Chatila, J. and Awwad, R., 2005. Computational simulation of flow over stepped spillways. Journal of Computers & structures, 83(27), pp. 2215-2224.
 
13- Varjavand, P, Khosravinia, P. and Salmasi, F., 2009. Investigation of energy dissipation in stepped spillway using FLUENT numerical model. In 4th National civil Engineering Conference, Tehran University, Tehran, Iran. (In Persian).
14- Zandighoharizi, F. and Azhdarimoghadam, M., 2011. Investigation of cavitation index changes in peak overflow using CFX model, In 5th National civil Engineering Conference, Mashhad Ferdowsi University, Mashhad, Iran. (In Persian).