شبیه‌سازی عددی میدان جریان در حوضچه آرامش USBR VI با نرم‌افزار Flow3D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه حکیم سبزواری

2 استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس تهران،

3 استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه امیرکبیر تهران،

چکیده

یکی از مستهلک­کننده­های انرژی رایج، حوضچه آرامش USBR VI است. این حوضچه از قدیمی­ترین حوضچه­هایی است که برای استهلاک انرژی جریان خروجی از لوله طراحی شده است. این حوضچه، سازه­ای جعبه­ای شکل به همراه یک دیوار میانی و یک آستانه انتهایی است. دیوار میانی طوری تعبیه شده است که انرژی جریان ورودی را در عرض حوضچه توزیع کند. یکی از مشخصه­های مفید این حوضچه این است که نیازی به عمق پایاب برای استهلاک انرژی ندارد. در این تحقیق با استفاده از شبیه­سازی عددی به کمک نرم­افزار Flow3D مشخصات کیفی و کمی میدان جریان مورد بررسی قرار گرفت. مدل عددی موردنظر کاملا مطابق با مدل فیزیکی ساخته شده در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تربیت مدرس توسط مولفین است. در این مدل، عرض حوضچه و کانال پایین­دست ثابت هستند و برای بررسی اثر پارامتر W/De(W عرض حوضچه و De عمق معادل جریان ورودی) از سه لوله ورودی به حوضچه با قطرهای مختلف استفاده گردید. با استفاده از تحلیل ابعادی و نیز به کمک تحقیقات پیشین مشخص گردید که این پارامتر بدون بعد، پارامتر بسیار مهم و تاثیرگذاری در میدان جریان حوضچه آرامش USBR VI است. صحت­سنجی مدل عددی با مقایسه فشار برداشت شده بر روی دیوار میانی و عمق جریان روی آستانه انتهایی در مدل فیزیکی و نیز مقایسه پروفیل سرعت توسعه یافته در لوله ورودی به حوضچه انجام گرفت. بررسی میدان جریان نشان داد در طول حوضچه و روی آستانه خروجی، توزیع دبی در عرض حوضچه غیریکنواخت و در کناره­های آن بیش­تر است. همچنین میزان پخش و استهلاک سرعت جت ورودی به حوضچه تابعی از W/De  است. اندرکنش جت ورودی که به سمت پایین­دست در حرکت است و جریان­هایی که به سمت بالادست و در خلاف جهت جریان ورودی در حرکت هستند باعث می­شود که پدیده پخش جت با سرعت بیش­تری رخ دهد. در نسبت­های W/De پایین­تر، این پدیده با شدت کم­تری رخ می­دهد. همچنین بررسی جریان روی آستانه انتهایی نشان داد که با افزایش نسبت W/De توزیع جریان روی آستانه خروجی، غیریکنواخت­تر می­گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of Flow Field in Stilling Basin USBR VI

نویسندگان [English]

  • Ehsan Behnamtalab 1
  • Masood Ghodsian 2
  • Amir Reza Zarrati 3
  • Ali Akbar Salehi Neishabouri 2
1 Faculty member of Civil Engineering, Engineering Department, Hakim Sabzevari University, e.behnamtalab@hsu.ac.ir
2 Professor, Department of Civil Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, ghods@modares.ac.ir
3 Professor, Department of Civil Engineering, Amirkabir University, Tehran, Iran,
چکیده [English]

One of the most conventional types of energy dissipators is stilling basin USBR VI. Stilling basin USBR VI is also one of the oldest basins designed for dissipating the pipe outlet flow. This stilling basin is made of a small boxlike structure with a hanging wall and an endsill. Hanging wall is to distribute the energy of incoming flow to basin width. The mentioned basin has no need to tailwater for successful performance. In this research, the Flow3D software has been used to model the specifications of flow field qualitatively and quantitatively. On the other hand, the numerical model used in this study is according to physical model built by author in the hydraulic lab at the Tarbiat Modares University. In this model, basin and downstream channel widths are constant. Three incoming pipes with different diameters were also used to investigate the effect of W/De ratios. In order to validate the numerical model, the recorded pressures on hanging wall and flow depth on endsill in physical model as well as the velocity profile of incoming pipe were compared with the corresponding experimental results of Nikuradse in 1932 [10]. The results of flow field show that the flow rate is higher in the vicinity of side walls for the hanging walls and beginning of downstream channel. The distribution of flow rate in width is however uniform at the distance of basin length from endsill in downstream channel. Furthermore, different W/De ratios have different diffusion velocities of incoming jet. Incoming jet interaction and the backward flow will cause the higher rate of jet diffusion, the higher W/De ratios, the higher rate of jet diffusion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Field
  • Flow3D
  • Numerical Model
  • Stilling Basin USBR VI
1- Aisenbrey,A.J. 1978. Design of small canal structures, 1978: engineering technology pertaining primarily to the design of small canal structures of less than 100-cubic-feet-per-second capacity. A Water resources technical publication (USA).

2- Aleyasin,S.S., Fathi,N and Vorobieff,P. 2015. Experimental Study of the Type VI Stilling Basin Performance. Journal of Fluids Engineering. 137.3: page1-9.

3- Babaali,H., Shamsai, A and Vosoughifar,H. 2015. Computational modeling of the hydraulic jump in the stilling basin with convergence walls using CFD codes. Arabian Journal for Science and Engineering. 40.2:381-395.

4- Beichley,G. 1978. Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or Channel Outlets Denver: USBR.

5- Bradley,J.N and Peterka,A.J. 1955. Research study on stilling basins, energy dissipators and associated appurtenances. US Bur. Reclam. Laboratory. Report. Hydraulic.399:81-89.

6- Flow-3D. 2010. Flow-3D User Manual, Version 10.0. Flow Science Incorporated. 10 edition.

7- Hattori, and Nagano,Y. 2010. Investigation of turbulent boundary layer over forward-facing step via direct numerical simulation. International Journal of Heat and Fluid Flow. 31.3:284-294.

8- Nohani,E. 2015. Numerical Simulation of the Flow Pattern on Morning Glory Spillways. International Journal of Life Sciences. 9.4:28-31.

9- Peterka, A.J. 1984. Engineering monograph no. 25.

10- Schlichting,H and Gersten,K. 2003. Boundary-layer theory. Springer Science and Business Media.599.

11- Seyedashraf,O., Elyasi,S. 2015,. Flow Structures in Sharply-Curved Open Channel Bends-Numerical Comparison of Two CFD Models. International Journal of Engineering and Technology Sciences.3.3 : 262-274.

12- Silva,M.R. 2013. 3D numerical modeling of flow along spillways with free surface flow. Complementary spillway of Salamonde, TECNICO Lisboa conference:1-12.

13- Tiwari,H. 2013 a. Design of Stilling Basin Model with Impact Wall and End Sill. Research Journal of Recent Sciences. 59-63.

14- Tiwari,H. 2013b. Analysis of Baffle Wall Gap in the Design of Stilling Basin Model. International Journal of Civil Engineering and Technology. 66-71.

15- Tiwari,H and Goel,A. 2014. Effect of End Sill in the Performance of Stilling Basin Models, American Journal of Civil Engineering and Architecture, 2.2: 60-63.

16- Verma,D.V.S and Goel,A. 2000. Stilling basins for pipe outlets using wedge-shaped splitter block. Journal of irrigation and drainage engineering. 126.3:179-184.

17- Verma,D.V.S and Goel,A. 2003. Development of efficient stilling basins for pipe outlets. Journal of irrigation and drainage engineering.129.3:194-200.

18- White,F.M. 2003. Fluid Mechanics/Frank M. White.