1-1- کلیات
تاریخ آبرسانی از روزگاری آغاز میگردد كه بشر زندگی گروهی را برگزید. لذا برای تأمین نیاز خود از آب، اولین شهرها را در كنار رودخانه‌هایی مانند نیل، دجله، فرات، سند ساخت. با رشد جمعیت و سكنی گزیدن در مكانهایی دور از رودخانه و همچنین نیاز به آب برای مقاصد كشاورزی، شرب و استفاده در صنعت و …، انسان به فكر جابجا كردن و انتقال آب افتاد. در كنار مسألة انتقال آب، همواره مشكل رسوبات وارده به كانالها و سیستمهای انتقال نیز وجود داشته است، زیرا سرعت جریان در محدوده این سازهها در مقایسه با رودخانهی اصلی كاهش مییابد و به منطقه بسیار مناسبی برای ته‌نشینی رسوبات تبدیل می‌شود. با گذشت زمان كم‌كم دهانة آبگیر از رسوبات پر شده و باعث بروز مشكلات بهره‌برداری از این تأسیسات خواهد شد.
در این راستا اولین ایده‌ای كه به ذهن میرسد استفاده از سیستم لایروبی و تخلیة رسوبات از سیستم خواهد بود كه هزینه‌های بالایی را در بر خواهد داشت و بهمین دلیل بهتر است رسوبات ورودی به آبگیر حداقل شود تا مشكلات و تبعات حاصل از آن نیز كاهش یابد. از این رو بشر از زمان های قدیم و همزمان با بهره گرفتن از آب رودخانه، به دنبال راه های تقلیل ورود رسوبات به سیستم و نیز افزایش راندمان آبگیری بوده است. استفاده از سازه‌های انحراف و دفع رسوب، طراحی شكل آبگیر و جانمایی آن در قوس خارجی خم، نمونة بارزی از اینگونه اقدامات بشمار می‌آیند. آبگیری از قوس خارجی رودخانهها بدلیل كاهش ورود رسوبات به آبگیر همواره مورد توجه محققین قرار داشته است. عدم کنترل رسوب ورودی به آبگیرها در مسیرهای مستقیم و قوسی باعث انتقال رسوبات به داخل کانالهای آبیاری و تاسیسات شده و مشکلاتی را برای قسمت های مختلف بوجود میآورد. ذرات معلق در آب در صورتی که سرعت زیادی داشته باشند، خسارات زیای را به تاسیسات بکار رفته مثل پمپ و توربین وارد می کنند. نمونه ای از این مشکلات را میتوان در دهانه آبگیر واقع در رودخانه Ohio در شکل 1-1 مشاهده کرد که با تجمع رسوبات در دهانهی آبگیر عرض دهانه کاهش یافته و منجر به کاهش دبی آبگیری می شود.
به طور کلی قوس خارجی رودخانه محل مناسبی برای آبگیری انتخاب می شود. علت این امر، نقش جریان حلزونی در کنترل رسوب ورودی به آبگیر میباشد که در ادامه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی توضیح داده می شود. در مطالعه روی آبگیری از قوس رودخانهها سه پارامتر موقعیت آبگیری، زاویه آبگیر نسبت به جهت جریان و نسبت دبی آبگیری از جمله پارامترهای مهم در کاهش رسوب ورودی به آبگیر حائز اهمیت است. برای بهره برداری کامل از مزیت خم، موقعیت آبگیر باید در مقطعی که جریان حلزونی به توسعه یافتگی کامل میرسد قرار گیرد. انتخاب زاویه مناسب آبگیر باعث میگردد که جریان با کمترین اغتشاش و بدون پدیده جدائی وارد آبگیر شود. همچنین هر چه سرعت ورودی و به عبارت دیگر نسبت انحراف بیشتر شود، اغتشاشات ناشی از جریان باعث اتلاف بیشتر انرژی جریان ورودی و نیز انتقال رسوبات کف به آبگیر خواهد شد.
1-2- نحوه شکل گیری الگوی جریان و فرسایش در قوس رودخانهها
جریان در مجاری هیدرولیکی دارای طبیعت سه بعدی بوده و علاوه بر جهت غالب، که همان جهت اصلی[1]نامیده می شود، در جهات دیگر نیز وجود دارد. این جریانها که در داخل مقطع عرضی رخ می دهند به جریانهای ثانویه موسوم هستند. در منابع مختلف، محققین از این نوع جریان، علاوه بر جریان ثانویه، با نامهایی چون حرکت ثانویه، چرخش ثانویه، جریان عرضی، چرخش عرضی، جریان مقطعی و … نام بردهاند.
سیرای در سال 1976 تعریفی نسبتا کاربردی برای جریان ثانویه ارائه داده است ]1[: اگر در یک جریان سه بعدی، اندازه یک بردار تشکیل شده از تعادل دو مولفه از بردار سرعت محلی، در مقایسه با مولفه سوم کوچک باشد، بردار سرعت اخیر (بردار سوم)، جریان اصلی در کانال را تشکیل میدهد و دو مولفه قبلی جریانهای ثانویه را تشکیل میدهند.
پرانتل جریان ثانویه را برحسب نوع نیروهای بوجود آورنده آن به دو دسته کلی تقسیم می کند ]2[:
- جریان ثانویه ناشی از آشفتگی
- جریان ثانویه ناشی از فشار
رزوفسکی ]3[ در سال 1957 توضیحی ریاضی برای نحوه شکل گیری جریان ثانویه ناشی از فشار ارائه داده است. وی با درنظر گرفتن یک حجم کنترل در فاصله Z از بستر کانال که در امتداد مسیری به شعاع ثابت، حرکت می کنند (شکل2-1)، نشان داد که با صرف نظرکردن از نیروی اصطکاک، با تعادل تمام نیروهای وارد بر حجم کنترل، رابطه زیر برای محاسبه شیب عرضی سطح آب به دست خواهد آمد:
شکل 1-2 طرحی از شیب عرضی سطح آب و جریان چرخشی شکل گرفته در بازه قوسی شکل کانال]3[
در اثر اندرکنش جریان ثانویه با پروفیل غیریكنواخت سرعت طولی، الگوی جریان خاصی به نام جریان حلزونی تشکیل می شود که باعث تغییرات زیادی در الگوی جریان قوس نسبت به جریان در کانال مستقیم می شود، همچنین سبب میگردد كه قوس خارجی فرسایش یافته و رسوبات به قوس داخلی منتقل شود و در نتیجه خط‌القعر رودخانه بطرف قوس خارجی متمایل شود. بنابراین منطقی به نظر میرسد كه آبگیری از ساحل خارجی خم رودخانه صورت پذیرد تا هم رسوبات كمتری به داخل دهانة آبگیر منحرف شود و هم به علت افزایش عمق آب در این قسمت بتوان آب را در ترازهای بالاتری كه رسوبات كمتری را با خود حمل می‌كنند، برداشت نمود. در شکل 1-4 این جریان نشان داده شده است.
عوامل موثر بر الگوی جریان در کانال قوسی
در یک کانال قوسی شکل، عوامل موثر بر الگوی جریان میتوانند به صورت پارامترهای زیر معرفی شوند ]3[:
- زاویه مرکزی قوس.
- نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان.
- نسبت عرض مقطع جریان به عمق جریان.
- زبری بستر کانال و جدارههای آن.
- شرایط جریان ورودی در بالادست کانال.
جدول 1-1 تقسیم بندی قوسها بر اساس نسبت شعاع انحنا به عرض مقطع کانال.
خرید اینترنتی فایل کامل :
| نوع قوس | نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان |
| تند | کوچکتر از 3 |
| ملایم | بزرگتر از 3 |
1-4- الگوی جریان در آبگیری از مسیر مستقیم
شكل 1-5 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر مستقیم ]5[
در آبگیری از مسیر مستقیم با مقطع مستطیلی، مقدار عرض صفحه تقسیم جریان در کف بیشتر از از مقدار عرض صفحه تقسیم جریان جریان در سطح میباشد. انحنادار بودن سطح تقسیم جریان باعث می شود در جریان منحرف شده به سمت آبگیر یک عدم تعادل بین گرادیان فشار جانبی، نیروی گریز از مرکز و نیروی برشی ایجاد شده که باعث تشکیل یک جریان ثانویه در جهت عقربههای ساعت می شود. چنین جریانی در کنار دیواره کانال اصلی نیز شکل میگیرد. با پیشروی به سوی پاییندست به خاطر ویسکوزیته جریان قدرت این جریان ثانویه کاهش مییابد. اندازه سطح تقسیم جریان در کانال اصلی میزان دبی انتقالی به کانال فرعی را تعیین می کند. عرض جریان انحرافی یا صفحه تقسیم جریان در هر سطح جریان، فاصله دیواره کانال اصلی طرف آبگیر تا خطوط جریان منتهی به نقطه ایستائی نزدیک به گوشه پایین دست تقاطع آبگیر و کانال اصلی تعریف می شود ]6[.
1-5- الگوی جریان در آبگیری از قوس
بارزترین تفاوت الگوی جریان در دهانهی آبگیر موقعیت خطوط تقسیم جریان در صفحات نزدیک بستر و سطح آب میباشد. براساس نتایج آزمایشگاهی منتصری و همکاران ]7[ برخلاف آبگیری از مسیر مستقیم، عرض صفحه تقسیم جریان در سطح بیشتر از کف است که دلیل آن وجود جریان حلزونی در قوس میباشد همانگونه که در شکل 1-6 مشخص شده است. نکته قابل توجهی که در شکل مشاهده می شود این است که عرض صفحه تقسیم جریان از کف به سمت سطح آب ابتدا افزایش یافته و دوباره نزدیک سطح کاهش مییابد. دلیل این کاهش نیز تفاوت تنش برشی بین لایه های سیال و لایه سطحی با هواست. پیرستانی ]8[ و صفرزاده ]9[ نیز در مطالعات خود، افزایش عرض صفحه تقسیم جریان در سطح نسبت به کف را گزارش نموده اند اما به کاهش آن در لایه های سطحی اشاره نکرده اند.
| شكل 1-6 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر قوسی]7[ |
1-6- ضرورت انجام تحقیق
همانگونه كه قبلا گفته شد، از دیرباز مسالهی آبگیری از رودخانهها مطرح بوده است و مهمترین مساله برای طراحان برداشت آب با حداقل رسوبات از رودخانه بوده است و آبگیری از قوس یکی از روشهای پیشنهاد شده میباشد که نسبت به سایر روشها هزینه کمتر و پربازدهتر میباشد. حال نکته مهم که مطرح می شود این است که کدام قسمت از یک قوس، محل مناسبتری برای آبگیری می باشد و آبگیری تحت چه زاویهای باشد که مناسبترین حالت را بوجود آورد؟ پر واضح است که جواب دادن به سئوال فوق راحت نبوده و شرایط و پارامترهای زیادی در تعیین محل و زاویه مناسب آبگیری در یک قوس رودخانه دخیل هستند. همچنین شناخت مکانیسمهای ورود رسوبات به آبگیر در طراحی بهتر ان سازهها بسیار ضروری است بالطبع قبل از اینکه مساله انتقال رسوب در چنین میدان پیچیدهای مطرح شود، لازم است تا الگوی جریان در آن بطور کامل شناخته شود. و در ادامه به بررسی توپوگرافی بستر در کانال قوسی و مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر بررسی می شود. همچنین مدلهای فیزیکی به دلیل پیچیدگی الگوی جریان و تاثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم بر مسئله نمیباشند بنابراین استفاده از مدلهای عددی در کنار مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی امری حتمی میباشد.
در این پایان نامه با بهره گرفتن از مدل عددی SSIIM2 که توانایی فوقالعادهای در شبیهسازی الگوی رسوب دارد که کمتر مدل عددی دیگر فاقد این توانایی میباشد. در ابتدا الگوی جریان در مدل شبیهسازی و نتایج حاصل کالیبره و صحتسنجی شود و در آخر به شبیهسازی مکانیسم حرکت رسوب که مزیت اصلی این مدل عددی میباشد پرداخت شده است.
1-7- اهداف
تحقیق انجام شده به منظور رسیدن به اهداف زیر انجام می شود:
- بررسی قابلیت مدل SSIIM2 در شبیهسازی میدان جریان در کانال قوسی و الگوی جریان در اطراف دهانه آبگیر در کانال قوسی.
- تعیین بهترین موقعیت و زاویه آبگیر در کانال قوسی.
- مطالعه مکانیسم شکل گیری توپوگرافی بستر در کانال قوسی در حالت تزریق رسوب برروی بستر صلب و مکانیسم ورود رسوب به آبگیر.
- بررسی تاثیر دبی آبگیری بر مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر
1-8- روش انجام تحقیق
مراحل انجام شبیهسازی الگوی جریان و رسوب با بهره گرفتن از مدل عددی SSIIM به شرح زیر است:
- مشبندی کانال قوسی 180 درجه، برای نیل به این منظور با نوشتن برنامهای در نرمافزار Excel مختصات تکتک گرههای میدان حل براساس هندسه موجود و در نظر گرفتن تعداد مشهای لازم در جهات مختلف و ریزشدگی مشها در نزدیک دیوارهها را بدست آورده شود.
- انتقال مختصات گرهها به مدل SSIIM1، مدل SSIIM1 شامل دو فایل کمکی به نام control و koordina میباشد که در فایل control با نوشتن کدهای مورد نیاز شرایط مرزی، دانهبندی رسوبات کف، ارتفاع آب و الگوریتمهای حل، برای نرمافزار تعریف می شود و مختصات گرهها در فایلkoordina داده می شود.
- انتقال شبکه ایجاد شده در SSIIM1 به SSIIM2.
- کالیبراسیون و صحت نتایج حاصل از مدل عددی با توجه به نتایج آزمایشگاهی.
- نتایج حاصل از مدل SSIIM2 را در نرمافزار Tecplot رسم می شود و به تحلیل شبکه جریان و رسوب پرداخته شده است.
- ارائه رابطه ریاضی برای ابعاد صفحه تقسیم جریان
