محمد مهدی سیف - دانشکده فنی و مهندسی
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