محمد مهدی سیف

تاریخ انتشار : Publish : نسخه قابل چاپ Print

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران گرایش آب و سازه­های هیدرولیکی        

 

عنوان:

مدل­سازی عددی توزیع عرضی سرعت متوسط در عمق و تنش برشی در کانال­های مرکب با سیلاب­دشت­های مورب

 

استاد راهنما:

دکتر بهرام رضایی

 

اساتید داور:

دکتر مجید فضلی- دکتر جلال صادقیان

 

نگارش:

 محمد مهدی سیف

مکان:

آمفی تئاتر

 

ساعت 14- 24 اسفند 1394



چکیده:
پیش‌بینی میدان جریان در کانال‌های مرکب به علت ماهیت سه‌بعدی جریان برای مهندسین هیدرولیک امری دشوار تلقی می‌شود. در کانال‌های مرکب منشوری مشخصه اصلی شامل اثر بر‌هم‌کنش بین جریان سریع در کانال اصلی و جریان آرام در سیلاب‌دشت‌ها می‌شود. این اختلاف که یک لایه برشی قوي در سطح مشترک بین کانال اصلی و سیلاب‌دشت‌ها ایجاد‌ می‌کند، منجر به تولید گردابه­های بزرگ مقیاس در جهت محور عمودی و نیز جریان ثانویه مارپیچی شکل در جهت محور طولی می­گردد. در نتیجه این امر، بین کانال اصلی و سیلاب­دشت­ها تبادل اندازه حرکت صورت گرفته که سبب کاهش ظرفیت انتقال جریان در کانال اصلی و افزایش آن در سیلاب­دشت­ها می­شود. در این تحقیق تلاش گردیده است که میدان جریان در کانال­های مرکب با سیلاب­دشت­های مورب برای دو زاویه اریب مختلف 1/5 و 2/9 درجه با استفاده از نرم­افزار ANSYS-CFX شبیه­سازی گردد. نتایج حاصل از شبیه­سازی عددی که از طریق حل معادلات میانگین زمانی ناویه استوکس با استفاده از 4 مدل آَشفتگی k-e، k-e EARSM، Eddy Viscosity Transport Eq و SSG در دو مقطع بالادست و پایین­دست جریان و در چهار عمق نسبی متفاوت برای هر یک از زوایای اریب به دست آمده با نتایج حاصل از فلوم آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. توزیع سرعت میانگین در عمق، توزیع تنش برشی مرزی، محاسبه دبی در کانال اصلی و سیلاب­دشت­ها، توزیع سرعت طولی و عرضی در عمق و پیش­بینی گردابه­های ناشی از جریان ثانویه با استفاده از 4 مدل آشفتگی انتخاب شده و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی، از جمله موارد مورد بحث در این تحقیق می­باشند. بررسی­ها نشان می­دهد که از بین مدل­های آشفتگی انتخابی مدل­های آشفتگی k-e و Eddy Viscosity توانایی شبیه­سازی توزیع سرعت را با دقت نسبتاً خوبی دارند. در حالیکه اختلاف بین نتایج حاصل از شبیه سازی عددی توزیع تنش برشی و داده­های آزمایشگاهی نسبتاً قابل ملاحظه می­باشد.

واژه­های کلیدی: کانال مرکب ­منشوری، میدان جریان، شبیه­سازی عددی، ANSYS-CFX، مدل­های آشفتگی.

 

 

 

Abstract:

The prediction of the flow characteristics in compound channels with prismatic and non-prismatic floodplains is a challenging task for hydraulics engineers due to the three-dimensional nature of the flow. In prismatic compound channels, the main feature consists of the interaction effect between the fast moving flow in the main channel and the slow moving flow on the floodplains. This difference causes a high shear layer at the interface between the main channel and floodplain, leading to the generation of the large-scale vortices with vertical axes, as well as the helical secondary flow with longitudinal axes.The complexity of the problem rises when the compound channel is no longer a straight prismatic channel. For example, in compound channels with skewed floodplains, due to changes in geometry, water flowing on the floodplain crosses over water flowing in the main channel, resulting in increased interaction between subsections. In this research an attempt has been made to model flow filed in two skewed compound channel cases using ANSYS-CFD software with four turbulence models of k-e, k-e Explicit Algebraic Reynolds Stress Models (EARSM), Eddy Viscosity Transport Equation (Eddy) and Speziale-Sarkar-Gatski (SSG) turbulence model. The results of velocity and shear stress distributions modelling were then compared with the experimental data on compound channel with skewed floodplains (skewed angles of 5.1o and 9.2o). Study shows that all turbulence models are abale to predict depth-averaged velocity distributions fairly well, but when we come to the shear stress modeling, diffrence between the numerical results and and exerimental bata increase. Also present of secondary circulation cels in the main channel have been predicted by tubulence models only for high relative depth and skewed angle.

 

Key Words:  Skewed compound channels, computation fluid dynamics, numerical modeling, turbulence model