SUPERVISOR
Mohamadnavid Moghim,Abdolreza Kabiri
محمدنوید مقیم (استاد مشاور) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما)
STUDENT
Sara Bagheri Ghavam Abadi
سارا باقری قوام آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Hydraulic Characteristics of Flow over the Streamlined Weirs
: Weirs are a type of hydraulic structures that are used in water supply systems and irrigation networks for different purposes such as; increasing the upstream water depth, measuring the flow discharge, deviating or evacuating the excess water from the reservoirs and canals. Weirs are categorized as different types. They must be selected in respect to the hydraulic conditions and to satisfy all the objectives of a project. The present study subjects to investigate the hydraulic characteristics of flow over the streamlined weirs, based on model experimentation, analytical modeling and numerical simulation. The streamlined weirs are a special type of weirs, designed based on the airfoil theory. This kind of weirs have some merits compared to the other types of weirs. They have high discharge coefficient, stability and fewer fluctuations of water free surface. According to the objectives of the present study, primarily, an experimental investigation was performed, applying different experimental models of streamlined weirs, designed according to the Joukowsky transform function. Applying this transformation, the weir pattern generated on the destination coordinate plain is a function of the radius and the coordinate of the center of a circle on the source coordinate plain. Experimental results inferred that for a constant flow discharge, the upstream flow heads over the streamlined weirs with different relative eccentricities are almost constant, showing an approximately constant discharge coefficient by the variation of flow head. Furthermore, adding a downstream sloped face does not change the flow discharge coefficients. However, increasing the weir height, results in the increase of the flow head and the decrease of the flow discharge coefficient, especially, for the higher heads and the lower relative eccentricities. Numerical simulations were performed using an open source software namely OpenFoam, leading to an extended data set. Moreover, details of the flow structure over, up- and downstream of these weirs were investigated. Analyzing the results of different turbulence models including; standard k - ? model, realized k - ? model, RNG k - ? model, k - ? SST model, and Reynolds stress LRR model, indicated that all the aforementioned models accurately estimate the flow field and hydraulic parameters. Accordingly, based on the convergence criteria and recommendations of the former studies, the k - ? SST turbulence model was chosen as the best turbulence model for analyzing flow over the streamlined weirs. Numerical results for different flow discharges as well as different relative eccentricities showed that, by increasing the flow discharge and the relative eccentricity, the flow velocity over the crest of weirs increases and accordingly the hydrodynamic pressure in such section decreases. For a constant flow head upstream of different types of the streamlined weirs, the lowest bed pressure and the most probable potential of cavitation belongs to the circular-crested weir (streamlined weir with a relative eccentricity of unity). Furthermore, the greatest bed shear stresses and the compressive forces occur downstream of the circular-crested weirs. Thus, downstream of the circular-crested weirs is responsible to larger potential of bed erosion. This is partly due to the formation of shock waves, reduction of the flow depth, and enhancement of the flow velocity downstream of the circular-crested weirs. Furthermore, the lowest bed shear stresses were observed upstream of the circular-crested weirs. Therefore, upstream of the circular-crested weirs shows the greatest potential of sedimentation. Finally, Applying the streamlined weirs with an appropriate curvature, tends to diminish the unfavorable flow conditions, as observed in the circular-crested weirs, leading to the most safe and economic hydraulic structures. Keywords: Streamlined weir, Joukowsky transform, Potential Flow, OpenFoam software, Discharge coefficient, Water Surface profile, Velocity and pressure distribution, Bed shear stress.
سرریزها یکی از انواع سازه های هیدرولیکی مورد استفاده در سیستم های انتقال آب و شبکه های آبیاری هستند که به منظور دست یابی به اهدافی نظیر؛ افزایش عمق جریان در بالادست سازه جهت آبگیری، اندازه گیری دبی جریان، انحراف و یا خروج آب اضافی موجود در کانال ها و دریاچه سدها به کار می روند. این سازه ها دارای انواع گوناگونی هستند و بنابراین سرریز انتخاب شده باید بیشترین تطابق را با شرایط موجود و محیط پیرامون خود داشته باشد تا بتواند کلیه اهداف مورد نظر در طرح را تأمین کند.هدف از مطالعه حاضر، بررسی خصوصیات هیدرولیکی جریان در سرریزهای خط جریانی با بهره گیری از مدل سازی های آزمایشگاهی، تحلیلی و عددی است. سرریزهای خط جریانی نوع خاصی از سرریزها هستند که در طراحی آنها از تئوری باله ها استفاده می شود. این سرریزها به علت دارا بودن مقطع خط جریانی، دارای ضریب دبی بالایی بوده و نسبت به سایر انواع سرریزها اغتشاش کمتری را در مسیر جریان ایجاد کرده و از حد استغراق و پایداری بیشتری برخوردار هستند. با توجه به اهداف تحقیق، در ابتدا مدل های آزمایشگاهی سرریزهای خط جریانی بر اساس تابع تبدیل ژوکوفسکی طراحی و در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار می گیرند. بر اساس این تبدیل، شکل سرریزهای خط جریانی ایجاد شده در صفحه مختصات مقصد، تابعی از شعاع و میزان خروج از مرکزیت دایره در صفحه مختصات مبدأ است. بر اساس نتایج به دست آمده، به ازای یک دبی ثابت، هد جریان بالادست در سرریزهای خط جریانی با خروج از مرکزیت های نسبی متفاوت به یکدیگر بسیار نزدیک است و در نتیجه تغییرات ضریب دبی آنها نیز در مقابل تغییرات هد بالادست تقریباً ثابت است. همچنین افزودن شیب پایین دست بر روند تغییرات ضرایب دبی جریان بی تأثیر است. اما افزایش ارتفاع پایه سبب افزایش هد بالادست و کاهش ضریب دبی جریان در سرریزهای یاد شده می گردد و این امر به خصوص در هدهای بالا و خروج از مرکزیت های نسبی کمتر مشهودتر است. در ادامه، با ترکیب توابع جریان پتانسیل حول یک سیلندر استوانه ای و جریان گرداب آزاد و در نتیجه بهره گیری از تابع جریان پتانسیل حول یک سیلندر چرخان، روابطی جهت تخمین ضرایب دبی جریان و تعیین توزیع سرعت بر روی تاج سرریزهای تاج دایره ای ارائه می شود. سپس با اصلاح شعاع تاج و شعاع سطح آب در معادلات مرتبط با سرریزهای تاج دایره ای، روابط حاصل به منظور برآورد ضریب دبی و نیم رخ های سرعت در تمامی انواع سرریزهای خط جریانی مورد بررسی، توسعه داده خواهد شد. در نهایت به منظور گسترش دامنه داده برداری، از مدل سازی عددی با نرم افزار متن باز OpenFoam استفاده می شود. نتایج شبیه سازی های عددی با استفاده از مدل k-? SST به ازای دبی های مختلف و خروج از مرکزیت های نسبی متفاوت، نشان داد که با افزایش دبی جریان و نیز افزایش میزان خروج از مرکزیت نسبی، سرعت بر روی تاج سرریز افزایش و به تبع آن فشار در این محل کاهش می یابد. همچنین علی رغم یکسان بودن مقادیر هد جریان در تمامی انواع سرریزهای خط جریانی با خروج از مرکزیت های نسبی متفاوت، کم ترین فشار مربوط به سرریز تاج دایره ای (سرریز خط جریانی با خروج از مرکزیت واحد) است. ضمناً بیشترین تنش های برشی بستر و نیروهای فشاری در پایین دست سرریزهای تاج دایره ای رخ می دهند و در مقایسه با سایر سرریزهای خط جریانی، بیشترین امکان فرسایش مربوط به پایین دست سرریزهای تاج دایره ای می باشد. دلیل این امر وقوع امواج ضربه ای، کاهش عمق و افزایش سرعت جریان در پایین دست سرریزهای تاج دایره ای است. علاوه بر این، کم ترین مقادیر تنش های برشی بستر در بالادست سازه، مربوط به سرریزهای تاج دایره ای بوده و در نتیجه این نوع سرریز نسبت به سایر انواع سرریزهای خط جریانی مستعد بیشترین میزان رسوب گذاری در بالادست خود است. لذا براساس نتایج حاصل، بهره گیری از سایر انواع سرریزهای خط جریانی با انحنای مناسب، می تواند مشکلات رایج در سرریزهای تاج دایره ای را تا حدود زیادی مرتفع سازد و سازه ای ایمن تر و اقتصادی تر ارائه دهد. کلمات کلیدی: سرریز خط جریانی، تبدیل ژوکوفسکی، جریان پتانسیل، نرم افزار OpenFoam، ضریب دبی جریان، نیم رخ سطح آب، توزیع سرعت و فشار، تنش برشی بستر.