مطالعه هیدرولیک جریان در تبدیل‌های تدریجی عریض شونده در کانال‌های روباز

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 مؤسسه غیرانتفاعی میرداماد، گرگان

2 دانشکده مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 گروه مهندسی عمران،دانشکده مهندسی،دانشگله رازی،کرمانشاه

چکیده

تبدیل­ها به طور معمول هم در کانال­های باز مهندسی و هم در کانال­های طبیعی کاربرد دارند. با افزایش ابعاد در راستای مقطع در تبدیل، از سرعت جریان کاسته می­شود. تحت جریان زیربحرانی و در شرایط جریان دائمی، کاهش سرعت جریان منجر به افزایش فشار آب و همچنین گرادیان فشار معکوس می­شود. که این موضوع، ناحیه جدایی جریان و حرکت گردابی آشفته را به وجود آورده و باعث تلفات انرژی در جریان می­شود. در این مطالعه، هیدرولیک جریان در امتداد تبدیل تدریجی عریض­شونده کانال­های مستطیلی به ذوزنقه­ای تحت جریان زیربحرانی به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در کنار مطالعه آزمایشگاهی، شبیه­سازی عددی سه بعدی الگوی جریان با استفاده از نرم­افزار فلوئنت و مدل آشفتگی تنش رینولدز (RSM) انجام گرفته است. پروفیل­های سطح آب و سرعت جریان در مقاطع مختلف تبدیل به صورت آزمایشگاهی اندازه­گیری شده و با نتایج عددی مقایسه شده است که مقایسه این نتایج مطابقت خوبی را بین آنها نشان می­دهد. همچنین راندمان (بازدهی) تبدیل و ضریب تلفات انرژی در امتداد تبدیل به ازای اعداد فرود مختلف ورودی محاسبه شدند. نتایج نشان دادند که با افزایش عدد فرود جریان بالادست، راندمان تبدیل و ضریب تلفات انرژی به ترتیب کاهش و افزایش می­یابند. پس از صحت­سنجی مدل عددی، تأثیر عدد فرود ورودی بر نواحی جدایی جریان، جریان­های ثانویه ایجاد شده و تنش برشی بستر در امتداد تبدیل به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. از ابتدای تبدیل به سمت میانه تبدیل، تعداد نواحی چرخشی ناشی از جریان­های ثانویه افزایش یافته و با نزدیک شدن به انتهای تبدیل تعداد این نواحی کاهش می­یابند. همچنین با افزایش عدد فرود ورودی، تنش برشی بستر در امتداد تبدیل افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of Flow Hydraulics in Expansive Gradual Transitions Open Channels

نویسندگان [English]

  • Adel Asnaashari 1
  • Amir Ahmad Dehghani 2
  • Ali Akbar Akhtari 3
1 Faculty of Mirdamad Institution, Gorgan
2 Department of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Civil Engineering, Faculty of Engineering, Razi University , Kermanshah
چکیده [English]

     Channel expansions are common in both natural and artificial open channels. With increasing cross-sectional dimensions in an expansion, the flow decelerates. Under Subcritical flow and steady flow conditions, reducing the flow velocity due to increasing the water pressure and adverse pressure gradient. In this study, the flow hydraulic along the expansive transition of rectangular to trapezoidal under subcritical flow has been investigated experimentally. Also, a three- dimensional numerical simulation of the flow pattern was developed using the fluent software with RSM turbulent model. Water surface and flow velocity profiles at different sections of transition were compared with experimental results. The results showed a good agreement between numerical and experimental results. Then, the efficiency of the transition and coefficient of energy head loss were calculated. The results show that with increasing the upstream Froude number, the efficiency of the transition and coefficient of energy head loss are decreased and increased, respectively. After calibration, the effect of inflow Froude numbers on flow separation zones, secondary currents, and bed shear stress along the transition was investigated numerically.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transition of Rectangular to Trapezoidal
  • Flow Hydraulic
  • Transition Efficiency
  • Flow separation zone
  • Secondary currents
صادقی ح، دانشفراز ر،  بهمنش ج، "بررسی خصوصیات پرش هیدرولیکی در تبدیل­های همگرا"، دوازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، 1392.
سیدیان س م، شفاعی بجستان م، "تعیین ابعاد مجرای جریان و قدرت گرداب حلزونی در محل آبگیرهای جانبی"، نشریه آب و فاضلاب، 1390، 4، 83-94.
Abbott DE, Kline SJ, “Experimental investigation of subsonic turbulent flow over single and double backward facing steps”, Journal of Basic Engineering, 1962, 84, 317.
Alauddin M, Basak BC, “Development of an Expansion Transition in Open Channel Sub-Critical Flow”, Journal of Civil Engineering, 2006, 34 (2), 91-101.
Basak BC, Alauddin M, “Efficiency of an Expansive Transition in an Open Channel Subcritical Flow”, DUET Journal, Dhaka University of Engineering & Technology, 2010, 1, 27-32.
Chun-quan FU, Hai-mei Jiang, Hong-jun Yin, Yu-chi SU, Ye-ming Zeng, “Finite Volume Method for Simulation of Viscoelastic Flow through an Expansion Channel”, Journal of Hydrodynamics, 2009, 21, 360-365.
Escudier MP, Oliveira PJ, Poole RJ, “Turbulent Flow through a Plane Sudden Expansion of Modest Aspect Ratio”, Journal of Physics of Fluids, 2002, AIP 14 (10), 3641-3654.
Fluent 6.3.26 User Manual, Fluent Inc, 2006.
Haque A, “Some Characteristics of Open Channel Transition Flow”, Msc Thesis, Civil Engineering, Concordia University, 2008.
Henderson FM, “Open Channel Flow”, Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ 07458, 1966.
Mehta PR, “Separated Flow through Large Sudden Expansions”, Journal of the Hydraulics Division, 1981, ASCE 107 (HY4), 451-460.
Najafi Nejad Nasser A, “An Experimental Investigation of Flow Energy Losses in Open- Channel Expansions”, Msc Thesis, Civil Engineering, Concordia University, 2011.
Najmeddin S, “CFD Modeling of Turbulent Flow in Open-Channel Expansions”, Msc Thesis, Civil Engineering, Concordia University, 2012.
Olsen NRB, “Numerical Modelling and Hydraulics”, Department of Hydraulic and Environmental Engineering the Norwegian University of Science and Technology, 2008, ISBN 82-7598-074-7.
Ramamurthy AS, Basak S, Rao PR, “Open channel expansions fitted with local hump”, journal of hydraulics division- ASCE 1970, 96 (HY5), 1105-1113.
Swamee PK, Basak BC, “Design of trapezoidal expansive transitions”, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1992, ASCE 118 (1), 61-73.
Versteeg HK, Malalasekera W, “An Introduction to Computational Fluid Dynamics”, ISBN: 978-0-13-127498-3, London, Second Edition, 2007, 1-517.