پایان نامه شبیه سازی عددی الگوی جریان و توزیع فشار آب در پرتاب کننده های جامی (FLIP BUCKETS)

پایان نامه شبیه سازی عددی الگوی جریان و توزیع فشار آب در پرتاب کننده های جامی (FLIP BUCKETS)

چکیده :

پرتاب کننده های جامی شکل یکی از انواع مهم مستهلک کننده ها می باشند و نقش استهلاک انرژی جریان در سرریز ها را به عهده دارند و در صورتی که نتوانند وظیفه خود را به نحو درست انجام دهند، خسارات غیر قابل جبرانی ممکن است به بار بیاید. برای طراحی درست این پرتاب کننده ها لازم است که پارامتر های مختلف از جمله سرعت ، فشار وغیره به درستی روی آن شناسایی و تحلیل شوند.

در این پروژه بعد از معرفی نقش و عملکرد سازه های پرتاب کننده جامی شکل در استهلاک انرژی جریان روی سرریزها، خصوصیات هیدرولیکی و هندسی آن مورد بحث و بررسی قرار گرفته است و با توجه به اینکه ساخت مدل های فیزیکی این پرتاب کننده ها برای پیش بینی وتحلیل نحوه عملکرد واقعی آن، وقت گیر و پرهزینه است ، این مدل سازی به صورت عددی و توسط نرم افزار  3D-Flow که یک نرم افزار محاسباتی دینامیک سیالات است ، انجام شده است و تمامی خصوصیات هندسی و هیدرولیکی سازه به مدل کامپیوتری وارد گردیده است تا در زمان کمتر و با صرف هزینه کمتری نتایج مشابه بدست بیاید. مدل سازی ابتدا برای سرریز و پرتاب کننده سد جره انجام داده شده و با در دست داشتن اطلاعات موجود مربوط به مدل فیزیکی ، نتایج حاصل از مدل سازی کامپیوتری با آن مقایسه شده و نتایج ما با آن تطابق بسیار خوبی داشته است و این اصل اثبات شده است که می توان به جای مدل سازی فیزیکی از این پس از مدل سازی کامپیوتری برای تحلیل وضعیت فشار و عمق وسرعت روی پرتاب کننده استفاده کرد. 

مقدمه :

در سال های اخیر با افزایش روند روبه رشد احداث سدهای بلند و بالا رفتن استاندارد ایمنی سدها، علاقه عمومی مهندسین هیدرولیک نسبت به طراحی یک سیستم استهلاک انرژی اقتصادی و مطمئن در پایانه مجاری اصلی تخلیه سیلاب سدهای بلند، افزایش یافته است . 

USBR در سال ١٩٨٧ نیز با تحقیقات و بررسی های تجربی برای مقدار شعاع بهینه پرتاب کننده فرمول هایی ارائه نموده اند.راجان و همکاران وی در ١٩٨٢ روی شعاع پرتاب کننده ها مطالعه و آزمایش نموده و توصیه نمودند که برای طول بیشتر مسیر جت پرتابی از جام های بیضوی شکل استفاده شود.[٨]

در سال ١٩٨٢ نیز میسون ، سیستم استهلاک انرژی ٣٧٠ سد را که از سال ١٩٥٠ به بعد در ٦١ کشور جهان ساخته شده اند مرور نمود. این بررسی شامل حوضچه های با بستر سنگی ، جام های مستغرق ، حوضچه های پرش هیدرولیکی ساده ، حوضچه های پرش هیدرولیکی بلوک دار و انواع مستهلک کنندهها بصورت جت آزاد بود[٣٩]. 

تحقیقات عددی

CFD (دینامیک سیالات محاسباتی ) ٦ به عنوان نتیجه چندین سال کنکاش و تحقیق در روابط ریاضی و به عنوان ابزاری جهت پیش بینی رفتار سیالات در بسیاری از شاخه های علم دینامیک سیال مطرح میباشد. امروزه

CFD به عنوان یک روش عددی استاندارد میباشد که در بسیاری از موارد در صنعت و تحقیقات دانشگاهی مورد استفاده قرار میگیرد. لذا بسیاری از محققین به مدل سازی عددی روی آورده اند که از آن جمله میتوان به مطالعات دیوید هو ٢٠٠٣ اشاره نمود[٢٢]. 

استهلاک انرژی به کمک پخش جت :

غالبا" ورود هوا در شرایط معمولی منجر به استهلاک انرژی خیلی زیادی نمی شود اما در صورتی که ورود هوا به حدی افزایش یابد که جریان آب به صورت ابری (پودری ) از قطرات آب در هوا درآید در این شرایط استهلاک انرژی کاملا" قابل ملاحظه خواهد بود.

این قطرات در صورتی که کوچک بوده و با سرعت زیادی نسبت به هوای اطراف در حرکت باشند، به شدت تحت تاثیر مقاومت هوا قرارخواهند  گرفت . 

فهرست

فصل اول ..............................................................................................٤

کلیات تحقیق و ساختار پایان نامه ................................................................٤

 1-1 : کلیات.......................................................................................... ٥

١-٢ : ساختار پایان نامه .................................................................................. ٦

فصل دوم ..............................................................................................٨

مروری بر مطالعات انجام شده در ارتباط با موضوع تحقیق ...................................٨

١-٢: مقدمه : .............................................................................................. ٩

٢-٢: تاریخچه مطالعات .................................................................................. ٩

١-٢-٢: مطالعات آزمایشگاهی ....................................................................... ٩

٢-٢-٢: مطالعات تحلیلی ........................................................................... ١١

٣-٢-٢: تحقیقات عددی ............................................................................ ١٢

فصل سوم ...........................................................................................٢٨

زمینه های علمی تحقیق ..........................................................................٢٨

١-٣-مقدمه ............................................................................................. ٢٩

٢-٣- روش های استهلاک انرژی در سد های بلند .................................................. ٢٩

٣-٣- روش های استهلاک انرژی متمرکز جریان آب ............................................... ٣٠

١-٣-٣- استهلاک انرژی به کمک پخش جت : ...................................................... ٣١

٢-٣-٣- انواع سیستم های استهلاک انرژی از دیدگاه استاندارد اداره مهندسی ارتش

آمریکا[٣١] : ......................................................................................... ٣٢

٣-٣-٣ تقسیم بندی انواع مستهلک کننده ها ی انرژی از دیدگاه گریشین [٢٨]: .......... ٣٢

٤-٣-٣-تقسیم بندی مستهلک کننده های انرژی از دیدگاه میسون [٣٧] : ................. ٣٤

٤-٣- محدودیت استهلاک انرژی ..................................................................... ٣٥

٥-٣- پرتاب کننده جامی : ............................................................................. ٣٧

٦-٣- جام یا قاشقک  پرش اسکی .................................................................... ٣٩

١-٦-٣- انواع جام ................................................................................... ٣٩

٣-٦-٢- هندسه و خصوصیات هیدرولیکی جام .................................................. ٤١

٣-٧-رفتار جت در اتمسفر: ............................................................................ ٥٠

٣-٧-١- ورود هوا به جریان روی تنداب تا لبه جام [١٦-٣٩] :................................. ٥٤

٣-٧-٢- ورود هوا به جت خروجی از جام :....................................................... ٥٥

فصل ٤ ............................................................................................... ٥٩

تحلیل عددی با نرم افزار 3D-FLOW ................................................................... ٥٩

١-٤- مقدمه .............................................................................................٦٠

٢-٤-تاریخچه ...........................................................................................٦٠

٣-٤-معادلات حاکم .....................................................................................٦١

١-٣-٤-سیستم های مختصات ......................................................................٦١

٢-٣-٤-معادله پیوستگی جرم ......................................................................٦٢

٣-٣-٤-معادلات مومنتوم ...........................................................................٦٣

٤-٣-٤- تنش های روی دیواره : .....................................................................٦٥

٥-٣-٤- افت اغتشاشی جریان ......................................................................٦٥

٦-٣-٤- سطوح مشترک و سطوح آزاد .............................................................٦٦

٧-٣-٤- معادله انرژی سیال ........................................................................٦٧

٨-٣-٤-مدلهای آشفتگی ..........................................................................٦٧

٩-٣-٤- ویسکوزیته آشفتگی .......................................................................٦٨

١٠-٣-٤- معادله انرژی جنبشی آشفتگی .........................................................٦٩

١١-٣-٤- مدل رسوب .............................................................................. ٧٠

٤-٤-کلیات نرم افزار 3D-FLOW ....................................................................... ٧٠

١-٤-٤-استفاده از روش Lagrangain VOF Advection –Semi  [٢٦] ............................ ٧٠

٥-٤-استفاده از سیستم شبکه بندی چندگانه ....................................................... ٧٢

٦-٤-روش کسر مساحت – حجم مانع : .............................................................. ٧٢

٧-٤-تقریبات عددی ................................................................................... ٧٣

٨-٤-شرح روش حل عددی ........................................................................... ٧٥

٩-٤- مدلسازی ورود هوا در نرم افزار 3D-FLOW ...................................................... ٧٥

١٠-٤- خصوصیات خاص و منحصر به فرد نرم افزار 3D-FLOW...................................... ٧٧

١١-٤ موارد کاربرد صنعتی نرم افزار 3D-FLOW ....................................................... ٧٨

١٢-٤ مدل سازی : ...................................................................................... ٧٩

١-١٢-٤  هدایت گر: ................................................................................ ٧٩

٢-١٢-٤- نصب مدل: ............................................................................... ٧٩

٣-١٢-٤-شبیه سازی : ............................................................................. ٨٥

٤-١٢-٤-تحلیل : ....................................................................................٨٦

٥-١٢-٤- نمایشگر .................................................................................. ٨٧

فصل ٥............................................................................................... ٨٨

مدل سازی عددی و کالیبراسیون .............................................................. ٨٨

١-٥-مقدمه ............................................................................................. ٨٩

٢-٥-مشخصات سازه مورد مطالعه : ................................................................... ٨٩

١-٢-٥- مشخصات سازه ای سرریز ............................................................... ٩٠

٢-٢-٥-خصوصیات هیدرولوژیکی سد مورد مطالعه ما به شرح زیر می باشد : ............... ٩١

٣-٥-مدل فیزیکی ................................................................................... ٩١

١-٣-٥- مشخصات پرتاب کننده در مدل فیزیکی: .............................................. ٩٤

٢-٣-٥-معرفی مقاطع اندازه گیری عمق آب و سرعت .......................................... ٩٥

٤-٥- مدل سازی در نرم افزار:......................................................................... ٩٨

١-٤-٥- ارائه گام های زمانی بر اساس اندازه شبکه های مش بندی برای حصول به

پایداری :............................................................................................... ٩٩

١-١-٤-٥- معادله انفصال برای وضعیت دو بعدی .............................................................................. ٩٩

٢-١-٤-٥- معادله انفصال برای سه بعدی ..................................................................................... ١٠١

٣-١-٤-٥- حل معادلات جبری ................................................................................................ ١٠٢

٥-٥-اتمام مدل سازی ................................................................................١٠٦

٦-٥-تست تحلیل حساسیت :.........................................................................١١١

٧-٥-بکارگیری شبکه عصبی در ارزیابی فشار روی پرتاب کننده در حالت سه بعدی ...........١٢٤

١-٧-٥-مقدمه : ........................................................................................١٢٤

٢-٧-٥-داده های ورودی و هدف ....................................................................١٢٤

٣-٧-٥-روش کار در شبکه عصبی ...................................................................١٢٤

فصل ششم ........................................................................................ ١٢٨

نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات برای تحقیقات آتی ........................................ ١٢٨

١-٦ : جمع بندی و نتایج تحقیق .....................................................................١٢٩