Skip to main content
SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Marzieh Rezashahreza
مرضیه رضاشهرضا

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Transition of super- to subcritical flow without a hydraulic jump by a cross sectional transition , based on analytical, numerical and experimental models
Hydraulic jump in channels and hydraulic systems is a common hydraulic phenomenon, interested design engineers and researchers. Hydraulic jump is a transition from super- to subcritical flow. The location of the hydraulic jump is dependent on the upstream and downstream depths, changing significantly by a small change of the conjugate depths. Usually, in the irrigation channels, flow fluctuations and flow head loss are not favorable, instead the designers prefer to exchange the excess kinetic energy to the potential energy with a minimum head loss. Due to the disadvantages encountered by creation of a hydraulic jump, the idea of super- to subcritical flow transition without a hydraulic jump has been recently proposed. In the present study, to change the flow regime from super- to subcritical flow without a hydraulic jump, the analytical, numerical, and experimental studies were performed , applying appropriate cross-sectional transition structures along the channel. The aptitude of the designed transition structures, based on analytical modeling, to eliminate the hydraulic jump was verified by the experimental modeling as well as a numerical simulation using STAR CCM+ software. Firstly, analytical modeling was performed and the geometrical aspects of transition structures were determined. Based on model experimentation, the hydraulic characteristics of super- to subcritical flow transition without a hydraulic jump were investigated on the basis of flow field observations and flow measurements. For numerical simulation, the flow volume of fluid method (VOF) was applied to study the water free-surface and the hydrodynamic characteristics of flow field. Examining different turbulence models, the k-? RNG model was selected as the best choice. The numerical results show an acceptable agreement with the experimental data. Notably, to design the models based on analytical modeling, special design Froude numbers should be considered. The experimental observations confirmed the ability of transition structures to eliminate the hydraulic jump. Based on the numerical simulation, velocity distributions and some hydrodynamic characteristics of the flow along the cross-sectional transition structures were obtained and validated. By the transition of super- to subcritical flow without a hydraulic jump, for the design Froude numbers of 2 to 8, we observed that in a small region downstream of the structure, there are disturbances and small perturbations, leading to an increase in the tail-water depth. According to the numerical simulation, different hydrodynamic characteristics of flow including turbulent intensities, Reynolds stresses and turbulence kinetic energy were determined and discussed. A properly designed cross-sectional transition structure, could eliminate the hydraulic jump and the corresponding vortices, leading to prevent the channel bed and side-walls, especially in the erodible channels. Keywords : Supercritical flow, Subcritical flow, Hydraulic jump removal, Constructive structure.
یکی از پدیده­های هیدرولیکی مورد توجه مهندسان و پژوهشگران، پرش هیدرولیکی در کانال­ها و سازه­های هیدرولیکی است. وقوع پرش هیدرولیکی مستلزم تبدیل جریان فوق­بحرانی به زیر­بحرانی است. محل وقوع پرش هیدرولیکی به اعماق بالادست و پایین­دست وابسته است و در صورت کوچک­ترین تغییر در این اعماق، محل پرش نیز تغییر می­کند. گاه در شبکه­های آبیاری افت انرژی جریان از نظر طراحان مطلوب نبوده و ترجیح می­دهند با حداقل افت، انرژی جنبشی جریان را به انرژی پتانسیل تبدیل کنند. با توجه به مشکلات مطرح در شرایط تشکیل پرش هیدرولیکی، اخیراً ایده­ حذف پرش هیدرولیکی پیشنهاد شده است. در تحقیق حاضر به­منظور تبدیل جریان فوق­بحرانی به زیر­بحرانی بدون وقوع پرش هیدرولیکی با الهام گرفتن از مطالعات پیشین، به بررسی تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی، سازه تبدیل مناسب در مقطع عرضی کانال جهت حذف پرش هیدرولیکی در تبدیل جریان فوق­بحرانی به زیر­بحرانی پرداخته می­شود. کارایی سازه تبدیل جهت حذف پرش هیدرولیکی با مدل­سازی آزمایشگاهی و شبیه­سازی عددی با استفاده از نرم­افزارSTAR CCM + مورد بررسی قرار می­گیرد. ابتدا مدل­سازی تحلیلی انجام و هندسه سازه­ها تعیین می­شود و نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی صحت‌سنجی می‌شود. در مدل­سازی آزمایشگاهی به بررسی ویژگی­های هیدرولیکی جریان در این تغییر رژیم بر اساس مشاهدات و اندازه­گیری­های جریان پرداخته می­شود. در شبیه­سازی عددی، برای مدل‌­سازی سطح آزاد جریان، از روش حجم سیال (VOF) استفاده می­شود و میدان جریان و مشخصه­های هیدرودینامیکی آن مورد مطالعه قرار می­گیرد. با بررسی گسترده از میان مدل­‌های مختلف آشفتگی، مدل k-? RNG جهت مدل­‌سازی انتخاب گردید. نتایج نیم­رخ­های سطح آزاد، همبستگی قابل قبولی را با نتایج آزمایشگاهی نشان می­‌دهند. مدل­های طراحی شده با اعداد فرود اولیه مختلف در مدل­سازی عددی شبیه­سازی شده و ضمن بررسی توانایی این سازه­ها در حذف پرش هیدرولیکی، توزیع سرعت و برخی پارامتر­‌های هیدرودینامیکی جریان بر روی سازه تبدیل و بعد از آن بررسی می­شود. در بررسی حذف پرش در اعداد فرود 2 تا 8 مشاهده شد که در ناحیه‌ کوچکی بلافاصله بعد از شکل­گیری جریان فوق­بحرانی و قبل از شروع سازه ­تبدیل، آشفتگی­هایی ایجاد می­شود که سبب افزایش عمق جریان می­گردد. در ادامه برخی از خصوصیات جریان از جمله توزیع سرعت، پارامتر‌های آشفتگی و تنش رینولدزی بر روی سازه‌ تبدیل و بعد از آن مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. با طراحی مناسب این سازه می­توان گردابه­ها و جریان­های نامطلوب در پایین­دست سازه تبدیل را حذف نموده و از فرسایش بستر کانال به­خصوص در کانال­های فرسایش­پذیر جلوگیری کرد. کلمات کلیدی : جریان فوق­بحرانی، جریان زیربحرانی، حذف پرش هیدرولیکی، سازه تبدیل

ارتقاء امنیت وب با وف بومی