SUPERVISOR
منوچهر حیدرپوراسفرجانی (استاد راهنما) جهانشیر محمدزاده هابیلی (استاد مشاور)
STUDENT
Shima Rezaie
شیما رضائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Impact of upstream and downstream face slope of trapezoidal broad-crested weir on pressure distribution
The weirs are the simplest, least expensive and most accurate hydraulic structures for controlling and measuring water flow in open channels and differet shapes. The most common types of weirs are trapezoidal broad-crested weirs because of the high precision in determining amount of discharge. When designing weirs, hydraulic design parameters are very important and the most important parameters are velocity and pressure. In this study, the hydraulic characteristics on two broad-crested weirs were considered at the Hydraulic Laboratory of Isfahan University of Technology. Flow profiles, velocity profiles over the upstream and crest and pressure along the weir were investigated. Two models were up 30 -down 45 and up 45 -down 30 . Three expriments were conducted on each weirs and mentioned parameters were taken for three discharges of each models. Laboratory results of water surface profiles showed with increasing discharge, the critical depth is transmitted to the upstream of crest and decreasing the upstream face slope, transmitted the critical depth to the downstream of crest. Laboratory results of velocity showed with increasing discharge, velocity distribution on the crest become more uniform and velocity near the floor is maximum and near the water surface is minimum. Decreasing the upstream face slope, increased velocity in the heel of weir and velocity over the crest become uniform. Laboratory results of pressure distribution showed that in the upstream of the crest, decreasing discharge, decreased pressure and in the downstream of the crest, decreasing discharge, increased pressure. Then, using the FLOW-3D software and utilizing the RNG K-e turbulence model, the flow over broad-crested weir was simulated for six existing experiments, and numerical results and experimental results were compared. The results showed a high agreement between numerical and experimental results. By simulating different models, flow hydraulic parameters such as boundry layer, flow separation, discharge coefficient and pressure were considered. Increasing the upstream face slope, increased boundry layer thickness and maximum of boundry layer thickness transmitted to downstream of the crest. Change in downstream face slope doesn't have much effect on boundry layer thickness. Increasing discharge, decreased boundry layer thickness. Decreasing upstream face slope, decreased separation zone discharge coefficient increased. Change in downstream face slope doesn't have much effect on separation zone and discharge coefficient. Analyzing the pressure on the crest showed that increasing the downstream face slope, decreased pressure on the crest and the probility of occurrence of cavitation increased but it doesn't have much effect on pressure in the upstream face slope. Results showed that with decreasing upstream face slope, the slope of the drop in pressure is reduced. Increasing upstream face slope, reduced pressure in the upstream of crest and increased pressure in the middle of crest. Key words : Broad-crested weir, Flow profiles, Velocity profiles, Pressure distribution, FLOW-3D, RNG K- turbulence model.
سرریزها ساده ترین، ارزان ترین و متداول ترین سازه های هیدرولیکی هستند که به منظور کنترل و اندازه گیری شدت جریان در کانال های باز و اشکال مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. در این میان، سرریزهای لبه پهن ذوزنقه ای به علت برخورداری از دقت بالا در تعیین میزان دبی عبوری، توجه بسیاری را به خود معطوف داشته اند. در هنگام طراحی سرریز باید پارامترهای طراحی هیدرولیکی مورد توجه قرار گیرند که سرعت و فشار می توانند مهم ترین این پارامترها باشند. در این تحقیق، خصوصیات هیدرولیکی جریان بر روی دو مدل سرریز لبه پهن ذوزنقه ای در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی اصفهان مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور نیم رخ های سطح آب، نیم رخ های سرعت واقع بر شیب بالادست و تاج سرریز و همچنین، توزیع فشار در طول سرریز مورد بررسی واقع شد. دو مدل مورد مطالعه شامل سرریز لبه پهن با شیب بالادست 30 درجه، شیب پایین دست 45 درجه و سرریز با شیب بالادست 45، شیب پایین دست 30 درجه بود. بر روی هر سرریز سه آزمایش انجام شد و پارامترهای ذکر شده، برای سه دبی عبوری از هر مدل برداشت شد. نتایج آزمایشگاهی پروفیل سطح آب نشان داد که با کاهش دبی، عمق بحرانی به سمت بالادست تاج منتقل می شود و کاهش شیب وجه بالادست باعث جابه جایی محل تشکیل عمق بحرانی به سمت پایین دست تاج می شود. تحلیل نتایج آزمایشگاهی پروفیل سرعت نشان داد که با افزایش دبی، توزیع سرعت بر روی تاج سرریز یکنواخت تر می شود. هم چنین پروفیل سرعت روی تاج سرریز به گونه ای است که در نزدیکی های کف، حداکثر و در نزدیکی های سطح آب دارای مقدار حداقل است. ملایم شدن شیب وجه بالادست باعث افزایش سرعت در پاشنه سرریز و یکنواخت شدن پروفیل سرعت روی تاج می گردد. نتایج آزمایشگاهی توزیع فشار نشان داد که در گوشه بالادست تاج، کاهش دبی باعث کاهش فشار استاتیکی می شود و در گوشه پایین دست تاج، کاهش دبی باعث افزایش فشار استاتیکی می شود. در ادامه با استفاده از نرم افزار FLOW-3D و بهره گیری از مدل آشفتگی RNG K- ، جریان عبوری از سرریزهای لبه پهن ذوزنقه ای برای شش آزمایش موجود شبیه سازی شد. با انجام مراحل واسنجی، نتایج حاصل از مدل ریاضی با داده های آزمایشگاهی مقایسه شد. نتایج به دست آمده نشان دهنده تطابق زیاد نتایج عددی و آزمایشگاهی و قابلیت بالای نرم افزار FLOW-3D در شبیه سازی سرریز لبه پهن ذوزنقه ای بود. با شبیه سازی مدل های مختلف، خصوصیات هیدرولیکی جریان از قبیل ضخامت لایه مرزی، جدایی جریان، ضریب دبی و فشار به صورت گسترده تر مورد بررسی قرار گرفت. افزایش شیب بالادست باعث افزایش ضخامت لایه مرزی می شود و هم چنین محل تشکیل حداکثر ضخامت لایه مرزی به پایین دست تاج سرریز منتقل می شود. تغییر شیب وجه پایین دست تاثیری بر ضخامت لایه مرزی ندارد و افزایش دبی باعث کاهش ضخامت لایه مرزی می شود. شیب دار کردن وجه بالادست باعث کاهش ناحیه جدایی جریان و در نتیجه، باعث افزایش ضریب دبی می گردد و تغییر شیب پایین دست تاثیری بر ناحیه جدایی جریان و ضریب دبی ندارد. تحلیل نیم رخ های فشار روی تاج سرریز مشخص نمود که افزایش شیب وجه پایین دست باعث کاهش فشار روی تاج سرریز و افزایش احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون می شود ولی تاثیری بر فشار در وجه بالادست سرریز ندارد. با توجه به نتایج به دست آمده از نرم افزار می توان به این نتیجه رسید که هرچقدر شیب وجه بالادست ملایم تر شود، شیب افت فشار کاهش پیدا می کند. در ابتدای تاج سرریز، افزایش شیب باعث کاهش فشار می شود ولی با فاصله گرفتن جریان از ابتدای تاج سرریز، افزایش شیب بالادست باعث افزایش فشار می شود. کلمات کلیدی: سرریز لبه پهن، نیم رخ سطح آب، نیم رخ سرعت، توزیع فشار، FLOW-3D، مدل آشفتگی RNG K- .