SUPERVISOR
Mohammad-Reza Chamani,Mohammad karim Beirami,Kayvan Asghari
محمدرضا چمنی (استاد راهنما) محمدکریم بیرامی (استاد مشاور) کیوان اصغری (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Fereshtehpour
محمد فرشته پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Numerical and Experimental Flow Modeling in Drop Manhole in Urban Runoff Systems
Nowadays, the catchment areas of impermeable surfaces increase due to urban development and construction of various buildings on permeable soils. It increases the volume and intensity of runoff. Consequently, the capacity of existing drainage systems for flood control is inadequate and their designs should be modified, accordingly. In drainage systems of urban runoff, water channels have little slopes to limit the velocity of flow. Drop manholes are usually provided to offset the elevation differences between the channel slope and the ground slope. This special structure should be used to reduce the energy as well as current level. The aim of this thesis is to investigate the performance of drop manholes to reduce the energy of flow and increase the flow capacity. The scheme combines drop manhole and pipe outlet structure. Pipe outlet structure usually consists of hanging baffle and end sill. A physical model of drop manhole was constructed in the Hydraulics Lab, Isfahan University of Technology. It was consisted of a 2 m pipe with diameter of 0.19 m upstream and a 2.5 m rectangular channel after a drop of 0.345 m height. A hanging baffle was implemented which was capable to move in horizontal and vertical direction. In order to generate a free surface flow, Jet Box was used with two nominal opening ratios of 50 and 80%. Discharge ranged 10 to 38 L/s and Froud number was between 1 and 4. Different flow regimes and hydraulic characteristics of flow were investigated. Using OpenFOAM, open-source software, the flow was simulated numerically. To only investigate the performance of hanging baffles, end sill was not used. To verify the results, the first set of experiment was conducted on a model without hanging baffle and the experimental and analytical results were compared with the existing rectangular vertical drops. In the second phase of experiments, a model with hanging baffle is used. Results show that the efficiency of energy dissipation in the drop manhole with no sills ranges about 40 to 80 percent, which is 50 percent higher than those of the rectangular vertical drop. In addition to energy loss, other factors such as the depth and length of the pool, the air concentration and the downstream depth are compared with previous experimental results. In the second set of experiments with a hanging baffle, four types of flow regimes are identified based on the location of the water jet impact, opening of the hanging baffle, and pool depth. Results in terms of energy loss are similar to the model without hanging baffle and are about 50 to 80 percent. Using the momentum equation, a semi-analytical relation for estimating the pool depth upstream of the hanging baffle is presented that provides good agreement with the experimental data. It is found that the coefficients of contraction and discharge of the system were less than those in sluice gates. Numerical simulation results also showed that the OpenFOAM software has good capability for estimating the hydraulic parameters. Key Words Manhole, Pipe outlet structure, Vertical drop, Flow regimes, Energy dissipation, OpenFOAM
امروزه افزایش سطوح نفوذناپذیر حوزههای آبریز که ناشی از گسترش شهرسازی واحداث انواع ساختمانها برروی خاکهای غالباً نفوذپذیر حوزه است، بر حجم و شدت رواناب افزوده است. درنتیجه، سیستمهای زهکشی موجود جهت کنترل سیلاب ناکافی است و لازم است در طراحی آنها بازنگری شود. در سیستم های زهکشی رواناب شهری، کانالهای آب باید دارای شیب کمی باشند تا جریان با سرعتی محدود حرکت کند. سرعت بالا در کانال، باعث فرسایش و تخریب آن خواهد شد. درصورت نیاز به کاهش تراز کانال از چاهک آدمرو با شیبشکن استفاده میشود که علاوه بر کاهش تراز جریان، انرژی آن را نیز کاهش میدهد. هدف این پایان نامه بررسی عملکرد نوع جدیدی از چاهک آدم رو با شیب شکن جهت کاهش انرژی جریان عبوری، کاهش ابعاد آن و افزایش دبی است. طرح جدیدی که بدین منظور پیشنهاد میشود، از ترکیب چاهک آدمرو با شیب شکن قایم و سازهی خروجی لولهی تشکیل شده است. برای دستیابی به این هدف، نمونهی آزمایشگاهی این سازهی هیدرولیکی در آزمایشگاه ساخته شد. این مدل از یک لولهی دایرهای در بالادست با قطر 19/0 و طول 2 متر و یک کانال مستطیلی با طول 5/2 متر در پاییندست شیبشکنی به ارتفاع 345/0 متر تشکیل شده بود. همچنین یک دیوار آویزان با قابلیت حرکت قائم و افقی در طول کانال ساخته شد. برای ایجاد جریان سطح آزاد از یک وسیله بهنام جعبهجت و با بازشدگی اسمی 50 و 80 درصد استفاده شد. دبی در آزمایشها از 10 تا 38 لیتر بر ثانیه و عدد فرود هم از 1 تا 4 تغییر میکرد. در ابتدا الگوهای پایهی جریان و سایر پارامترهای هیدرولیکی بررسی شد. همزمان، با استفاده از نرمافزار OpenFOAM مدل ساختهشده در آزمایشگاه به صورت عددی شبیهسازی شد. سازهی خروجی لوله از دو جزء اساسی بهنام دیوار آویزان و پلهی انتهایی تشکیل شده است که در این تحقیق جهت بررسی عملکرد دیوار آویزان به تنهایی و جلوگیری ازایجاد پرش هیدرولیکی از پله استفاده نشد. نخست آزمایشها بر روی مدل بدون دیوار آویزان انجام شد و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی موجود در زمینهی شیبشکنهای قایم مستطیلی مقایسه شد. در مرحلهی دوم آزمایشها، مدل چاهک آدمرو با دیوار آویزان بررسی شد. در حالت بدون دیوار آویزان نتایج نشان میدهد، بازده استهلاک انرژی در این سازه حدود 40 تا 80 درصد است و بهطور کلی حدود 50 درصد بیشتر از شیبشکنهای معمولی است. علاوه بر افت انرژی، متغیرهای دیگری همچون عمق و طول گرداب، غلظت هوا و عمق پاییندست نیز اندازهگیری و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شد. در مرحلهی دوم، با درنظر گرفتن دیوار آویزان، ابتدا رژیمهای جریان با تعریف پارامتر تأثیر طبقهبندی شدند. چهار نوع رژیم در حالت کلی شناسایی شد که محل برخورد جت آب، میزان بازشدگی دیوار آویزان و عمق حوضچه تعیینکنندهی رژیم حاکم بود. نتایج نشان میدهد از لحاظ افت انرژی، این مدل همسطح با مدل بدون دیوار آویزان و بازده آن در حدود 50 تا 80 درصد است. در این تحقیق همچنین با استفاده از معادلات اندازهحرکت، رابطهای نیمه تحلیلی برای یافتن عمق حوضچه ارایه شد که همخوانی خوبی با دادههای آزمایشگاهی داشت. با بررسی ضریب انقباض و تخلیهی این مدل مشخص شد که این سیستم نسبت به دریچههای معمولی دبی کمتری را عبور میدهد. نتایج شبیهسازی عددی نیز نشان میداد که نرمافزار OpenFOAM قابلیت تخمین مناسب متغیرهای هیدرولیکی اندازهگیری شده را دارد. کلمات کلیدی: سازهی خروجی لوله، چاهک آدم رو، شیبشکن قایم، افت انرژی، رژیم جریان، نرمافزار OpenFOAM .