Skip to main content
SUPERVISOR
Kayvan Asghari,Abdolreza Kabiri,Hossein Atoof
کیوان اصغری (استاد راهنما) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) حسین عطوف (استاد مشاور)
 
STUDENT
Faride Bahrami
فریده بهرامی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Numerical modeling of transition from super- to subcritical flow without a hydraulic jump
Due to the tailwater depth downstream of hydraulic structures, supercritical flow is changed to a subcritical flow regime, by establishing a hydraulic jump. This phenomenon results in high intense turbulent flow, air entrainment and energy dissipations, leading to destruction of the downstream canals and hydraulic structures. Therefore, design engineers might prefer to exclude the hydraulic jump from super- to subcritical flow due to unfavorable flow conditions. Recently a number of analytical-experimental studies have been performed to investigate the possibility of such transition by applying a convex bed as a transition structure. They concluded that the proposed transition structure is able to eliminate the hydraulic jump, for the range of Froude numbers between 1.3 and 4.5. In the present study the flow filed along and downstream of the transition region from super –to subcritical flow without a hydraulic jump was simulated using an open source OpenFOAM software. We investigated the ability of further transition structures to eliminate the hydraulic jump in the transition from super- to subcritical flow, for the range of Froude numbers between 2.14 to 6.4, based on a numerical modelling. The flow free-surface was modeled using volume of fluid (VOF) method. According to the former studies and based on a trial and error procedure, among different turbulent models, RNG k-? turbulent model was found to be the most appropriate one to analyze these type of open channel flows. Primarily, the experimental models studied by Kabiri-Samani et al. (2014) were simulated numerically and the results were validated and compared to those of the model experimentation. Based on a verification analysis we obtained good agreement between the numerical and experimental results. Consequently, for a wide range of supercritical approach flow Froude numbers, we conducted different numerical models and the possibility to exclude the hydraulic jump, for the defined scenarios was explored. Accordingly, the 3-D velocity component profiles and turbulent characteristics of flow along and downstream of the transition region were obtained. Results show that by increasing the supercritical approach flow Froude number up to 6.4, shock and oblique waves are formed at the free-surface. Finally, we analyzed the flow characteristics such as velocity profiles, turbulence intensities and Reynolds stresses over the transition structures in details. Keywords : Supercritical flow, Subcritical flow, Hydraulic jump, OpenFOAM, Turbulence model
در پایین­دست برخی از سازه­های هیدرولیکی در صورت بالابودن تراز پایاب، جریان فوق­بحرانی با تشکیل پرش هیدرولیکی به جریان زیر بحرانی تبدیل می‌شود. این پدیده با انبساط سریع جریان، آشفتگی‌، غلتابه­های سطحی و افت انرژی موضعی زیادی همراه است. با وقوع مکرر این پدیده در سازه‌های هیدرولیکی، مشکلات متعددی در سازه­های پایین­دستی به­وقوع می­پیوندد. بنابراین گاه وقوع پرش هیدرولیکی از نظر طراحان مطلوب نیست. بر اساس بررسی­های انجام شده، می­توان با طراحی سازه تبدیل مناسب در بستر کانال، پرش هیدرولیکی را در محدوده‌ی تبدیل از ر‍ژیم فوقبحرانی به زیر­بحرانی حذف کرد. هدف از انجام این تحقیق شبیه‌سازی جریان بر روی سازه‌ی تبدیل جریان فوق بحرانی به زیر‌بحرانی به­منظور بررسی کارایی سازه‌ تبدیل جهت حذف پرش در محدوده‌ی گسترده‌تری از اعداد فرود (تا حدود 7) با استفاده از نرم‌افزار OpenFOAM است. برای مدل‌سازی سطح آزاد جریان، از روش حجم سیال (VOF) استفاده شده است. در این پژوهش بر اساس نتایج مدل­سازی عددی به بررسی میدان جریان و مشخصههای هیدرودینامیکی آن پرداخته می­شود. لذا ضمن بررسی قابلیت تبدیل در حذف پرش هیدرولیکی با اعداد فرود بالاتر، پارامتر‌های آشفتگی و ساختار جریان بر روی تبدیل و پس از آن، به تفصیل مورد بررسی قرار می­گیرد. در تحقیق حاضر از بین مدل‌های آشفتگی بر اساس پیشنهاد محقیقن پیشین، مدل k-? RNG جهت مدل‌سازی انتخاب گردید. ابتدا شش مدل آزمایشگاهی طراحی شده از نتایج ربیعی شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل از آن با نتایج آزمایشگاهی صحت‌سنجی می‌شود. پروفیل سطح آزاد همبستگی قابل قبولی را با نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد. شش مدل دیگر با اعداد فرود اولیه‌ی طراحی 4 تا 4/6 طراحی شده و ضمن بررسی توانایی این سازه­ها در حذف پرش، توزیع سرعت و برخی پارامتر‌های هیدرودینامیکی جریان بعد از تبدیل بررسی می­شود. در بررسی حذف پرش در اعداد فرود 4 تا 4/6 مشاهده شد که در ناحیه‌ی کوچکی بلافاصله بعد از تبدیل، گردابه­های کوچکی تشکیل شده و جدایش جریان رخ می­دهد. در ادامه برخی از خصوصیات جریان از جمله توزیع سرعت، پارامتر‌های آشفتگی و تنش رینولدز بر روی سازه‌ی تبدیل در ناحیه‌ی جریان فوق بحرانی مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. کلمات کلیدی : جریان زیربحرانی، جریان فوق‌بحرانی، پرش هیدرولیکی، مدل آشفتگی، نرم­افزار OpenFOAM

ارتقاء امنیت وب با وف بومی