بررسی عددی تاثیر شیب پیشانی پله سرریز پلکانی ساده و بلوک دار با تاج نیم دایره ای بر پارامترهای هیدرولیکی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

2 عضو هیات علمی گروه آب دانشکده عمران دانشگاه تبریز

چکیده

جهت انتقال و تخلیه آب اضافی جمع‌شده در پشت سد‌ها به پایین‌دست از سرریزها استفاده می شود. سرریزها از نظر هندسی و محل استفاده انواع مختلفی دارند که براساس توپوگرافی منطقه، شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و ... از آن‌ها بهره گرفته می‌شود. برهمین اساس در پژوهش حاضر به بررسی تاثیر شیب پیشانی پله سرریز پلکانی ساده و بلوک‌دار با تاج نیم‌دایره‌ای بر پارامترهای هیدرولیکی سرریز با استفاده از مدل Flow-3D و مدل آشفتگی RNG پرداخته شده است. سه مقدار برای شیب ناحیه پیشانی پله سرریز در نظر گرفته شده و محدوده عمق بحرانی نسبی در بازه 0/71 الی 1/06 انتخاب شد. شبیه‌سازی عددی نشان داد با افزایش زاویه پیشانی پله نسبت به افق یا به عبارت دیگر با کاهش شیب پیشانی پله، استهلاک انرژی نسبی جریان افزایش می‌یابد، بطوریکه این میزان افزایش در سرریز با پله 90 درجه نسبت به پله با زاویه 60 درجه، 13/88 درصد و نسبت به پله با زاویه 45 درجه 28/9 درصد بیشتر است. از طرفی استفاده از بلوک نیز باعث افزایش استهلاک انرژی در سرریز با پله 90 درجه نسبت به پله با زاویه 60 درجه به مقدار 7 درصد و نسبت به پله با زاویه 45 درجه 24/32 درصد شده است. هم‌چنین مقدار عمق نسبی پایین‌دست با افزایش دبی جریان روند افزایشی داشته و با افزایش افت انرژی پایین‌دست، عدد فرود ناحیه پایین‌دست سرریز پلکانی کاهش می‌یابد که این مقدار کاهش در زاویه 90 درجه حدودا 60 درصد بیشتر از زوایای 45 و 60 درجه بوده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of the Effect of the Frontal Slope of Simple and Blocky Stepped Spillway with Semi-Circular Crest on Its Hydraulic Parameters

نویسندگان [English]

  • Ehsan Aminvash 1
  • Kiyoumars Roushangar 2
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
2 Department Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Engineering, Tabriz University, Iran
چکیده [English]

Spillways are used to transfer and discharge the excess water collected behind the dams downstream. There are different types of spillways in terms of geometry and place of use, which are used based on the topography of the region, hydraulic and hydrological conditions, etc. Based on this, in the current research, the effect of the frontal slope of a simple and blocky stepped spillway with a semi-circular crest on the hydraulic parameters of the spillway has been investigated using the Flow-3D® model and the RNG turbulence model. Three values were considered for the slope of the front area of the spillways step and the range of critical depth was between 11.9 and 14.5 cm. Numerical simulation showed that increasing the angle of the front of the step relative to the horizon, or in other words, reducing the slope of the front of the step, has increased the relative energy dissipation, so that the amount of energy dissipation increases in the spillway with a 90 degree step compared to a step with a 60 degree angle are 13.88% and 28.89% higher than the 45 degree angle stairs. On the other hand, the use of blocks has increased the consumption of energy in the overflow with a 90-degree step compared to a 60-degree angle step by 7% and compared to a 45-degree angle step by 32.24%. Also, the value of the downstream relative depth increases with the increase of the flow rate and with the increase of the downstream energy loss, the descent number of the downstream area of the stepped spillway decreases, and this decrease is about 60% more at the angle of 90 degrees than the angles were 45 and 60 degrees.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stepped Spillways
  • Flow-3D Numerical Model
  • Relative Energy Dissipation
  • Model with and without Blocks

مراجع

اخگر، س. و روشنگر، ک. 1399. مطالعه عددی و آزمایشگاهی تاثیر ایجاد حفره روی پله­های سرریز پلکانی بر پارامترهای هیدرولیکی و استهلاک انرژی در جریان رویه­ای. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر. 52 (8): 1-12.
ترومیده، ف.، فضل اولی، ر.، عمادی، ع. و میرناصری، م. 1397. بررسی تاثیر پروفیل طولی سرریز پلکانی بر استهلاک انرژی جریان. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 12 (2): 248-259.
روشنگر، ک. و اخگر، س. 1398. مطالعه عددی و آزمایشگاهی تاثیر المان­های گوه­ای شکل بر ضریب زبری و استهلاک انرژی روی سرریز پلکانی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 13 (1): 78-88.
سلماسی، ف.، بینا، م. و موسوی جهرمی، س.ح. 1382. ارزیابی افت کارمایه جریان از روی سرریزهای پلکانی با استفاده از شبیه فیزیکی. مجله کشاورزی. 26: 57-71.
قادری، ا. و عباسی، س. 1398. بررسی عددی عملکرد سرریزهای پلکانی-کنگره­ای برروی استهلاک انرژی جریان­های غیرریزشی. نشریه هیدرولیک. 14 (3): 1-16.
قادری، ا. و عباسی، س. 1400. بررسی آزمایشگاهی استهلاک انرژی جریان عبوری از سرریز های پلکانی همراه با الحاق المان هایی روی پله. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 15 (3): 494-509.
Amador, A., Sanchez-Juny, M., Dolz, J., Sanchez-Tembleque, M. and Puertas J. 2004. Velocity and Pressure Field in Skimming Flow in Stepped Spillways. Hydraulics of Dams and River Structures. 179-285. DOI: 10.1201/b16994-39.
Arjenaki, M.O., Sanayei, H.R.Z. 2020. Numerical investigation of energy dissipation rate in stepped spillways with lateral slopes using experimental model development approach. Modeling Earth Systems Environ. 6: 605–616. https://doi.org/10.1007/s40808-020-00714-z
Chamani, M. R. and Rajaratnam, N. 1999. Onset of Skimming Flow on Stepped Spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 125: 969-971.
Chen, Q., Dai. G. and Liu. H. 2002. Volume of fluid model for turbulent numerical simulation of stepped spillway overflow. Journal of Hydraulic Engineering ASCE. 128 (70): 683-688.
Daneshfaraz, R., Aminvash, E. and Najibi, A. 2022a. Experimental study of hysteretic behavior of supercritical regime on hydraulic parameters of flow against gabion contraction. Iranian Journal of Soil and Water Research. 53(1): 33-44.
Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Bagherzadeh, M., Ghaderi, A., Kuriqi, A., Najibi, A. and Ricardo, A.M. 2021c. Laboratory Investigation of Hydraulic Parameters on Inclined Drop Equipped with Fishway Elements. Symmetry.13: 1643. https://doi.org/10.3390/sym13091643.
Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Di Francesco, S., Najibi, A. and Abraham, J. 2021b. Three-Dimensional Study of the Effect of Block Roughness Geometry on Inclined Drop. Numerical Methods in Civil Engineering. 6 (1): 1-9.
Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Esmaeli, R., Sadeghfam, S. and Abraham, J. 2020. Experimental and numerical investigation for energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions. Journal of Groundwater Science and Engineering. 8(4): 396-406.
Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Ghaderi, A., Kuriqi, A. and Abraham, J. 2021a. Three-Dimensional Investigation of Hydraulic Properties of Vertical Drop in the Presence of Step and Grid Dissipators. Symmetry. 13, 895. https://doi.org/10.3390/sym13050895
Daneshfaraz, R., Joudi. A.R., Ghahramanzadeh. A. and Ghaderi. A. 2016. Investigation of flow pressure distribution over a stepped spillway. Advances and Applications in Fluid Mechanics. 19(4): 811–822.
Daneshfaraz, R., Sadeghfam, S., Aminvash, E. and Abraham, J. P. 2022b. Experimental Investigation of Multiple Supercritical Flow States and the Effect of Hysteresis on the Relative Residual Energy in Sudden and Gradual Contractions. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 1-16.
Dong, Z., Wang, J., Vetsch, D.F., Boes, R.M. and Tan, G. 2019. Numerical Simulation of Air–Water Two-Phase Flow on Stepped Spillways behind X-Shaped Flaring Gate Piers under Very High Unit Discharge. Water. 11: 1956. https://doi.org/10.3390/w11101956.
Felder, S., Guenther, P. and Chanson. H. 2012. Air-Water Flow Properties and Energy Dissipation on Stepped Spillways: a Physical Study of Several Pooled Stepped Configurations. Hydraulic Model Report No. CH87/12, School of Civil Engineering, University of Queensland, Brisbane, Australia.
Felder. S. and Chanson. H. 2014. Effects of step pool porosity upon flow aeration and energy dissipation on pooled stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 140 (4): 04014002
Ghaderi, A. and Abbasi, S. 2021. Experimental and Numerical Study of the Effects of Geometric Appendance Elements on Energy Dissipation over Stepped Spillway. Water. 13(7):957.
Ghaderi. A., Abbasi. S., Abraham. J. and Azamathulla. H.M. 2020. Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways. Flow Measurement and Instrumentation, 72: 101711.
Gupta, H. V., Kling, H., Yilmaz, K. K. and Martinez, G. F. 2009. Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. Journal of Hydrology. 377(1-2), 80–91.
Hamedi. A., Mansoori. A., Malekmohamadi. I. and Roshanaei. H. 2011. Estimating energy dissipation in stepped spillways with reverse inclined steps and end sill. World Environmental and Water Resources Congress. Bearing Knowl Sustain. ASCE.
Nikseresht, A.H., Talebbeydokhti, N. and Rezaei, M.J. 2013. Numerical simulation of two-phase flow on step-pool spillways. Scientia Iranica. 20 (2): 222- 230.
Nohani, E., bahadoribirgani, B., Jalili, D. and Mirazizi, S. 2015. Study The Effect Of The Number Of Steps On Energy Dissipation Of Stepped Spillways In Non-Nappe or Skimming Flow. Journal of Novel Applied Sciences. 4 (9): 932-939.
Roushangar, K., Akhgar, S., Salmasi, F. and Shiri, J. 2014. Modeling Energy Dissipation over Stepped Spillways Using Machine Learning Approaches. Journal of Hydrology. 508: 254-265.
Sánchez-Juny, M., Bladé, E. and Dolz, J. 2008. Analysis of pressures on a stepped spillway. Journal of Hydraulic Research. 46(3): 410-414.
Tabbara, M., Chatila, J. and Awwad, R. 2005. Computational simulation of flow over stepped spillways. Computers and Structures. 83: 2215– 2224.
Tongkratoke, A., Chinnarasri, C., Pornprommin, A., Dechaumphai, P. and Juntasaro, V. 2009. Non-linear turbulence models for multiphase recirculating freesurface flow over stepped spillways. International Journal of Computational Fluid Dynamics. 23(5): 401–409.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 17، شماره 1 - شماره پیاپی 97
فروردین و اردیبهشت 1402
صفحه 102-116

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار