Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadnavid Moghim,Abdolreza Kabiri
محمدنوید مقیم (استاد راهنما) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Elham Bahman
الهام بهمن

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394

TITLE

Hydraulic Characteristics of Flow over the Hydrofoil Weirs under Free and Submerged Flow Conditions
The hydrofoil weirs are a type of short-crested weirs that are designed, based on airfoil theory. This kind of weirs has some merits compared to the other types, such as high discharge coefficient, stability and submergence limit, and low fluctuations of pressure and water free-surface profile. The hydrofoil weirs with an angle of attack, looking like the ogee weirs, can be used as dam spillways. In the present study, models of hydrofoil weirs with different radius of the reference circle, relative eccentricities, cambers, angles of attack, and upstream slope angles, are applied to investigate the hydraulic characteristics of free and submerged flow over these weirs experimentally and numerically. The discharge coefficient of free and submerged flow and the weir threshold submergence are determined. Numerical simulations are performed using an open source, OpenFOAM v.4.0.1, CFD software. The interFoam solver is used to achieve the water free surface profiles and the SST k-? turbulent model applied for turbulence modelling of the flow field. In the present study, also, using the hydrofoil weir equation with an angle of attack, a continuous equation is presented for the upper and lower faces of ogee weirs. Consequently, the profiles of bed pressure along a hydrofoil weir matched on a specific ogee weir (design weir) is compared to that of the hydrofoil weirs with different relative eccentricities and cambers. Furthermore, a conformal mapping technique is applied to investigate the flow around a symmetric hydrofoil weir and compared to the flow around a circular cylinder, where the potential and free vortex flows are combined. The discharge coefficient and velocity distribution are obtained using the Joukowsky transformation and fundamental theories of hydraulics. Keywords: Discharge coefficient, hydrofoil weir, Joukowsky transform, OpenFOAM software, Potential flow, Pressure profile, Velocity distribution.
سرریزها در شبکههای آبیاری برای تنظیم و توزیع آب و در سدها بهمنظور کنترل ارتفاع و حجم آب و همچنین تخلیه سیلاب استفاده میشوند،و بخش قابل توجهی از هزینههای ساخت سد را به خود اختصاص میدهند. بر اساس ضخامت تاج، سرریزها به سرریزهای لبهتیز، لبهباریک و لبهپهن تقسیمبندی میشوند. سرریزهای هیدروفویل نوع خاصی از سرریزهای لبهباریک هستند که در طراحی آنها از تئوری بالهها استفاده میشود. سرریزهای هیدروفویل بهعلت دارا بودن مقطع خطجریانی، دارای ضریب دبی بالایی بوده و نسبت به سایر انواع سرریزها اغتشاش کمتری را در مسیر جریان ایجاد میکنند. هدف از مطالعه حاضر بررسی جامعتر خصوصیات هیدرولیکی جریان عبوری از روی سرریزهای هیدروفویل در شرایط جریان آزاد و مستغرق با بهرهگیری از مدلهای آزمایشگاهی، مدلسازی عددی و همچنین حل تحلیلی جریان عبوری از روی سرریزهای هیدروفویل است. در این مطالعه پارامترهای خروج از مرکزیت نسبی، خمیدگی و زاویه حمله در تئوری بالهها، برای ساخت مدلهای سرریز هیدروفویل استفاده میشوند. با استفاده از معادله سرریز هیدروفویل، ابتدا معادلهای پیوسته برای بدنه بالادست و پاییندست تاج سرریز اوجی ارائه شده و سپس به مدلسازی عددی جریان روی سرریز هیدروفویل منطبق بر یک سرریز اوجی مشخص (سرریز طراحی) و سرریزهای هیدروفویل با خمیدگیها و طولهای متفاوت با مقادیر متناظر در سرریز طراحی پرداخته میشود. علاوه براین، با بهرهگیری از توابع جریان پتانسیل عبوری از روی یک مانع استوانهای دوار و تابع انتقال ژوکوفسکی، تابع پتانسیل مختلط جریان حول سرریز هیدروفویل متقارن و نامتقارن بهدست آمده و سپس روابطی جهت تخمین ضرایب دبی جریان و نیمرخهای سرعت تاج در سرریزهای هیدروفویل متقارن توسعه داده میشود. بر اساس نتایج بهدست آمده، با افزایش شعاع دایره مرجع، عمق آب بالادست نسبت به تاج سرریز افزایش و در نتیجه ضریب دبی جریان کاهش مییابد؛ اما با افزایش خروج از مرکزیت نسبی، خمیدگی، شیب بالادست و زاویه حمله، تغییرات عمق آب بالادست نسبت به تاج سرریز بسیار اندک و در نتیجه تغییرات ضریب دبی جریان با تغییر این پارامترها نیز اندک است. نتایج نشان داد که بین شکلهای مختلف سرریزهای هیدروفویل، در یک دبی ثابت، بیشترین احتمال ایجاد فشارهای منفی بر روی بدنه سرریز و نیز بیشترین تنش برشی و در نتیجه احتمال فرسایش در پاییندست سرریز مربوط به سرریز با زاویه حمله بیشتر است. بهرهگیری از سرریزهای هیدروفویل با انحنای مناسب و دارای زاویه حمله به جای سرریزهای تاجدایرهای میتواند علاوه بر افزایش حجم آب ذخیره شده در پشت سرریز، مشکل وقوع فشارهای منفی را روی سرریز تاجدایرهای تا حدود زیادی برطرف نماید و دامنه نوسانات فشار در پاییندست این سرریز را بدون ایجاد تغییر در ضریب دبی جریان، کاهش دهد. مقایسه فشار روی بدنه سرریز هیدروفویل منطبق بر اوجی و سرریز هیدروفویل با خروج از مرکزیت نسبی کمتر از خروج از مرکزیت نسبی سرریز طراحی، نشان داد که با کاهش خروج از مرکزیت نسبی سرریز طراحی تا مقدار بهینه، میتوان محدوده وقوع فشارهای منفی را در سرریزهای اوجی با دبی طراحی و حتی برای دبیهای بیشتر از دبی طراحی، بدون تغییر چندانی در مقدار حداقل فشار روی سرریز، کاهش داد. در نهایت نتایج نشان داد که برای مقدار مشخصی از 1 نسبت عمق آب بالادست روی تاج سرریز به طول سرریز h h1 ،بیشتر از ضریب L ، /ضریب دبی سرریزهای هیدروفویل برای 12/0 L/ دبی سرریزهای لبهپهن و انواع دیگر سرریزهای لبهباریک است. ضریب دبی در سرریزهای هیدروفویل نامتقارن، تفاوت چندانی با ضریب دبی سرریز تاجدایرهای ندارد؛ اما ضریب دبی در سرریزهای هیدروفویل متقارن بیشتر از سرریزهای تاجدایرهای است. همچنین، ضریب h1 35/0 ،بهطور میانگین در حدود 4 درصد بیشتر از سرریزهای اوجی است. دبی سرریزهای هیدروفویل نامتقارن در بازه 45/0 L/ علاوه بر این، نتایج نشان داد که رابطه نیمه تحلیلی ارائه شده برای ضریب دبی و توزیع سرعت روی تاج سرریزهای هیدروفویل متقارن و روابط تجربی ارائه شده برای محاسبه ضریب دبی جریان و آستانه استغراق سرریزهای هیدروفویل نامتقارن در شرایط جریان آزاد و ضریب کاهش دبی این سرریزها در حالت جریان مستغرق، دارای دقت قابل قبولی در پیشبینی مشخصات هیدرولیکی سرریزهای هیدروفویل هستند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی