سرریزهای جانبی از جمله مجراهای تخلیه کننده سدها بوده که علیرغم محدودیت های هیدرولیکی در شرایط خاص توپوگرافی به عنوان بهترین انتخاب مطرح می شوند. تلفات زیاد انرژی تلاطم و آشفتگی جریان واعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف ودیواره های کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی دراین سرریزها بوده که باید مورد بررسی دقیق قرار گیرند. دراین مقاله ابتدا با استفاده ازنرم افزار Flow-3Dِ میدان جریان سه بعدی برروی کانال جانبی و تنداب سرریز سد یامچی وآبپایه واقع در انتهای کانال جانبی با استفاده از مدل آشفتگیRNG بررسی شده است. نتایج مدلسازی نشان می دهد که در بخش بالادست شوت و بخش عمده ای از میدان، رژیم هیدرولیکی فوق بحرانی می باشد. همچنین جریان در ناحیه جام پرتابه ای نیز شدیداً آشفته می باشد همچنین فشار جریان بر روی آستانه بطور ناگهانی افت میکند و سپس به حالت عادی باز میگردد.در انتها با استناد به نتایج مدل و تحلیل آنها و در راستای اصلاح سرریز راهکارهای سازه ای ارائه شده است.

تحلیل هیدرودینامیکی سرریز سد یامچی اردبیل با استفاده از مدل عددی سه بعدی

Flow-3D

بابک اقبال مغانلو[1]، رسول دانشفراز[2]،مهدی اسدی نیاری[3]، نیما مسلمی ⁴

1- دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد واحد مراغه

2- رسول دانشفراز، استادیار گروه عمران، دانشگاه مراغه

3- کارشناس ارشد سازه های آبی

4- مربی گروه عمران، دانشگاه آزاد سراب

eng.egbal@yahoo.com

خلاصه

سرریزهای جانبی از جمله مجراهای تخلیه کننده سدها بوده که علیرغم محدودیت های هیدرولیکی در شرایط خاص توپوگرافی به عنوان بهترین انتخاب مطرح می شوند. تلفات زیاد انرژی تلاطم و آشفتگی جریان واعمال ضربات نوسانی شدید آب بر کف ودیواره های کانال جانبی از جمله شرایط نامناسب هیدرولیکی دراین سرریزها بوده که باید مورد بررسی دقیق قرار گیرند. دراین مقاله ابتدا با استفاده ازنرم افزار Flow-3Dِ میدان جریان سه بعدی برروی کانال جانبی و تنداب سرریز سد یامچی وآبپایه واقع در انتهای کانال جانبی با استفاده از مدل آشفتگیRNG بررسی شده است. نتایج مدلسازی نشان می دهد که در بخش بالادست شوت و بخش عمده ای از میدان، رژیم هیدرولیکی فوق بحرانی می باشد. همچنین جریان در ناحیه جام پرتابه ای نیز شدیداً آشفته می باشد همچنین فشار جریان بر روی آستانه بطور ناگهانی افت میکند و سپس به حالت عادی باز میگردد.در انتها با استناد به نتایج مدل و تحلیل آنها و در راستای اصلاح سرریز راهکارهای سازه ای ارائه شده است.

کلمات کلیدی: سرریز جانبی، بهبود عملکرد هیدرولیکی،نوسانات فشار دینامیکی، شبیه سازی عددی

1.         مقدمه

سرریزهایکی از اجزای اصلی پروژه های آبی و سدسازی می باشند.سرریزها از جمله سازه های هیدرولیکی مهمی هستند که برای منظورهای مختلفی ساخته می شوند.از جمله این اهداف می توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف- گذر آبهای اضافی ناشی از سیلابهایی که نتوان آنها را  در حجم محدود دریاچه سدهای ذخیره ای و تنظیمی جای داد که در اینگونه موارد،تخلیه آب از قسمت فوقانی دریاچه ای که توسط سد بوجود آمده  است، انجام گرفته و بوسیلهیک آبراهه مصنوعی به رودخانه ویا زهکش های طبیعی هدایت می شود.در اینگونه سدها،سرریزها به ندرت وفقط در مواقع سیلابی مورد بهره برداری قرار می گیرند.]1[

ب-وظیفه سرریزها در سدهای انحرافی، عبور دادن جریان هایی است که مازاد بر ظرفیت انتقال سد انحرافی باشد.در این گونه سدها از آنجایی که فقط درصدی از آب رودخانه به کانال های مجاور برگردانده می شودواز طرفی به علت محدود بودن ظرفیت ذخیره مخزن،سرریزها بطور دایمی مورد بهره برداری قرار می گیرند.

ج-بالا آوردن و تثبیت تراز سطح آب در کانال ها و رودخانه ها.

د-کاهش شدت فرسایش در رودخانه های پر شیب بوسیله احداث متوالی سرریزها،اینگونه سرریزها معمولا از مصالح محلی ساخته می شود.]2[

ه-اندازه گیری دبی.

سرریزهایی که به منظور اندازه گیری دبی بکار می روند در مسیر جریان آب در کانال ها یا رودخانه ها نصب و یا ساخته شده و با اندازه گیری ضخامت تیغهآب در بالا دست آن،مقدار جریان محاسبه می شود.]3[

سرریزهای جانبی سرریزهایی هستند که در جایی که شیب دو طرف سرریز زیاد است و از نظر فضا محدودیت وجود داشته باشد استفاده می‌شوند. کانال سرریز، به خاطر کم‌شدن هزینه‌ خاکبرداری و به صرفه‌بودن ساختمان کانال، باید به اندازه کافی شیب داشته باشد تا جریان را سریع انتقال دهد. چون در طول کانال جانبی(از ابتدا کانال تا انتهای آن) شاهد افزایش تدریجی دبی می‌باشیم باید تمهیداتی برای جلوگیری از کاهش بازده هیدرولیکی سیستم به علت افزایش تلفات افت انرژی ناشی از تلاطم، بیاندیشیم.

مناسب‌ترین مقطع مجرا مستطیلییا ذوزنقه‌ای با دیواره‌های تند می‌باشد.عرض مجرا به طور تقریب در جهت جریان دو برابر می‌گردد. آزمایش‌ها نشان داده است اگر تاج سرریز در ابتدای مجرای آن به صورت ربع دایره باشد، شرایط جریان به صورت مطلوبی به وجود می‌آید.

از جمله مسائلی که اکثر سرریزهای سدها با آن مواجه هستند مباحثی مثل کاویتاسیون و نیروی برخاست ناشی از نوسانات فشار هیدرو دینامیک روی سرریزها می باشد که در نتیجه آن ممکن است باعث کنده شدن کف سازه و یا تخریب در قسمت های حساس سرریز شود . جهت جلوگیری از پدیده های فوق الذکر لازم است که اطلاعاتی در خصوص خطوط  جریان، خطوط پتانسیل و توزیع فشار در بستر و توزیع فشار در عمق در دست باشد که این کار با استفاده از مدل سازی عددی امکان پذیر می باشد.

در این مقاله رفتار جریان آب در روی سرریز سد یامچیبا استفاده از مدلسازی توسط نرم افزار Flow-3D مورد بررسی قرار گرفته است.نتایج نشان می دهد که در بخش بالادست شوت، در بخش عمده ای از میدان، رژیم هیدرولیکی فوق بحرانی بوده وجریان برروی شوت و جام پرتابه ای شدیداً آشفته می باشد.همچنین فشار جریان بر روی آستانه بطور ناگهانی افت میکند و سپس به حالت عادی باز میگردد.

برروی پرتاب کننده جریان، مقادیر فشار در ابتدا و در قسمت میانی آن نسبت به تنداب افزایش زیادی پیدا کرده و سپس در قسمت انتهایی و قبل از جدا شدن جریان از باکت دچار افت میشود.همچنین جریان ورودی به کانال جانبی بر روی دیوار شیبدار روبروی سرریز متمرکز میشود و این باعث میشود که تراز آب بر روی این دیواره و در نزدیکی آن بیشتر از قسمت میانی و سمت چپ کانال باشد.به دلیل قوسی بودن شکل کانال قبل از آستانه، نیرویگریز از مرکز وارد شده بر جریان باعث میشود که سطح آب بر روی دیواره سمت راست بالا رفته و بیشتر از سطح آبگردد.

2.         مشخصات هندسی و هیدرولیکی میدان جریان

طرح سد مخزنی اردبیل در 25 کیلومتری جنوب غربی شهر ادربیل واقع شده است. این سد از نوع خاکی با هسته ناتراوای میانی می باشد.سرریز این سد که در تکیه گاه سمت راست بدنه سد واقع شده از نوع یک جانبی  بوده که تراز تاج آن در رقوم 7/1443 متر و طول آن معادل 50 متر می باشد. منحنی قسمت اوجی شکل سرریز از رابطه Y=[-0.1365X]^1.83تبعیت می کند که در انتها به یک کانال جانبی با عرض کف متغیر از 15 تا 25 متر منتهی خواهد شد.برای اتصال جام سرریز به ابتدای تنداب از یک کانال هدایتآب با عرض 25 متر و طول حدود 50 متر استفاده شده است که داراییک قوس در پلانمی باشد.در انتهای قسمت قوسی شکل و در شروع تنداب یک آستانه  قرار گرفته است که جهت حصول اطمینان از وقوع جریان بحرانی در این قسمت و نیز بالا آوردن سطح آب در داخل کانال جانبی سرریز (برای کاهش تلاطم و نوسانات آب در آن)احداث شده است.ارتفاع اینآستانه معادل 2 متر بوده و تراز قسمت فوقانی آن معادل 58/1435 متر می باشد.جریان عبوری از روی آستانه به یک تنداب به عرض 25 متر و طول 340 متر و شیب 5/11 درصد منتقل میگردد. در انتهای تنداب یک جام پرتاب کننده جریان وجود دارد که شعاع کف آن 18 متر و زاویه انتهایی آن 28 درجه می باشد. این پرتاب کننده جریان را به داخل حوضچه پایین دست پرتاب نموده و از این طریق موجب استهلاک انرژی جریان میشود.

بر اساس مطالعات هیدرولوژی  انجام شده در حوضه آبریز رودخانه بالخلو توسط مشاور طراح سد یامچی، دبی اوج سیلاب با استفاده از هیدروگراف واحد حوضه آبریز و رواناب خالص بارندگی محاسبه گردیده است. بر این اساس محاسبات سیلاب متناظر بارانی با دوره بازگشت 10000 ساله در حوضه آبریز سد یامچی، معادل 1620 متر مکعب در ثانیه برآورد شده است. بر این اساس دبی استفاده شده در شبیه سازی نیز معادل 1620 متر مکعب در ثانیه لحاظ گردیده است.

1.2 حل عددی

1.1.2معادلات حاکم بر میدان

FLOW- 3Dیک برنامه کامپیوتری با کاربردهای کلی و توانائی های بسیار است. کاربر می تواند با وارد کردن اطلاعات مدل های مختلفیرا به منظور ارائه محدوده وسیعی از پدیده های جریان،انتخاب کند. در این نرم افزار از تقریب تفاضل و حجم محدود برای محاسبه زمانی و مکانی متغیرها در معادلات حرکت استفاده شده است.

معادلات حاکم بر سیال عبارتند از معادله پیوستگی و معادله مومنتم که برای جریان آشفته تراکم ناپذیر با لزجت و چگالی ثابت به صورت معادلات (1) و (2) بیان می شود.

(1)                                           V_Fδρ/δt+δ/δx (ρuA_x )+R δ/δy (ρvA_y )+δ/δz (ρwA_z )+ξ (ρuA_x)/x=RDIF+RSOR

که V_F نسبت کسر حجمی فضای باز به جریان،ρ دانسیته سیال،RDIF ترم نفوذپذیری آشفتگی و RSOR برابر منبع جرم است. u,v,w اجزای سرعت در جهت هایx,y,zیاr,z,θ هستند. برابر مساحت کسری محیط به جریان در جهت هایx,y,z هستند. ضریبR وابسته به انتخاب سیستم مختصات می باشد.]4[

(2)

δρ/δz+G_z+f_zb_z-RSOR/(ρV_f ) w

در این معادلاتG_x،G_y وG_z شتاب های بدنه و f_x،f_y وf_zشتاب ناشی از لزجت و b_x،b_yو b_z افت جریان در محیط های دارای خلل و فرج و ترم آخر سمت راست مربوط به تزریق جرم در سرعت صفر است.

2.2 تعریف هندسه مرزهای جامد و شبکه بندی

برای تهیه هندسه مرزهای جامد همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است،از نرم افزار AutoCAD استفاده شده است. برای انفصال میدان از دو بلوک محاسباتی استفاده شده است، که در مجموع شامل 60000 حجم محاسباتی می شود.

میدان جریان سه بعدی بوسیله مدل آشفتگی  حل شده است. دلیل استفاده از این مدل آشفتگی را  می توان در ویژگی ها و مزیت های آن نسبت به مدل هایی چون  دانست. این مدل به واسطه داشتن ترم اضافی در معادله ، برای تحلیل جریانات سریعاً کرنش یافته و جریانات بر روی سطوح با انحناهای زیاد بهبود یافته است. همچنین این مدل در شبیه سازی جریانات گذرا توان بالایی دارد.