مدل‌سازی عددی جریان عبوری از دریچه‌های کشویی در تمام دامنه استغراق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران

3 استادیار دانشگاه امام خمینی قزوین

چکیده

در این تحقیق با به‌کارگیری یک مدل عددی دوبعدی، هیدرولیک جریان عبوری از دریچه‌های کشویی در شرایط مستغرق شناسایی شد و نتایج حاصل با روابط موجود و داده­های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. داده های آزمایشگاهی مورد استفاده در این تحقیق گستره مناسبی از جریان با استغراق پایین تا استغراق کامل را پوشش می دهند. مدل‌سازی عددی با استفاده از جعبه‌ابزار  صورت گرفت. برای اعمال اثرات آشفتگی، مدل  استاندارد به‌کار گرفته شد. همچنین، شناسایی سطح آزاد جریان به‌کمک روش حجم سیال صورت گرفت. نتایج حاصل به‌صورت پروفیل سطح آب، الگوی توزیع سرعت در عمق، وضعیت جریان رو به جلو و جریان برگشتی در ناحیه مستغرق بعد از دریچه، استخراج و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. پروفیل‌های سطح آب و توزیع سرعت با درستی مناسبی شبیه‌سازی شد. در بررسی پروفیل‌های سرعت بدون‌بعدشده، ملاحظه شد که در نزدیک سطح جریان، به‌دلیل اثر جریان‌های زیرسطحی که در مدل دوبعدی لحاظ نشده است، سرعت محاسبه‌شده از مدل بیشتر از سرعت اندازه‌گیری‌شده است. اختلاف نتایج حاصل از مدل با داده‌های آزمایشگاهی روی پارامترهای عمق جریان روبه‌جلو و عمق پایاب، نشان‌دهنده تاثیر نسبت‌ استغراق روی این مولفه‌های جریان است. در ناحیه جریان توسعه‌یافته پایاب دریچه مستغرق، اختلاف بین نتایج مدل دوبعدی با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی کاهش یافت که می‌توان آن را به کاهش اثرات آشفتگی و نزدیک شدن به جریان دو بعدی در نقاط دورتر در پایین‌دست دریچه نسبت داد. پیشنهادهایی در خصوص نحوه تعیین شرایط مرزی در بسته  مطرح گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical model for flow through sluice gate in whole rates of submergence

نویسندگان [English]

  • Mohammadali Ghavidel 1
  • Salah Koochakzadeh 2
  • Mohammad Bijankhan 3
1 Department of Irrigation and Reclamation Engineering,Faculty of Agricultural Engineering and Technology, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran
3 Imam Khomeyni University
چکیده [English]

A 2-D numerical model employed to analyze submerged jump through the sluice gates. The results compared versus existing experimental data and the currently exercising equations. Afore mentioned laboratory data cover a wide range of submergence ratio. The standard model was utilized as a closure model for analyzing turbulence effects via OpenFOAM toolbox. Free surface captured using VOF method. Water surface profile, velocity distribution along flow depth, forward flow and roller zone specifications acquired after running model in different conditions analogous to experiments. Since the sub-surface flow is not counted in 2-D model, the non-dimensional velocity profiles show that the model overestimates velocities. Submergence ratio proved significant impression on potential core height and tail water depth. The discrepancies between model and experiments reduced in developed flow region further from the gate. This effect associate with diminishing turbulences and consequently approaching to a real 2-D flow. Defining appropriate boundary conditions conferred.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sluice gates
  • Submerged jump
  • Numerical model
  • OpenFOAM
  • turbulence model

مراجع

Akoz, M., Kirkgoz, M., Oner, A. (2009). “Experimental and numerical modeling of a sluice gate flow.”J. Hydraul. Res., 47(2), 167-176.
Belaud, G., Cassan, L., and Baume, J.-P.(2009). “Calculation of contraction coefficient under sluice gates and application to discharge measurement.”J. Hydraul. Eng., 135(12), 1086-1091.
Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V., and Kouchakzadeh, S. (2013). “New stage-discharge relationship for weirs of finite crest length.”J. Irrig. Drain. Eng., 10.1061/(ASCE) IR.1943.4774.0000670.
Bijankhan, M., Kouchakzadeh, S., & Belaud, G. (2017). “Application of the submerged experimental velocity profiles for the sluice gate's stage-discharge relationship.” Flow Measurement and Instrumentation, 54, 97-108.
Cassan, L., Belaud, G. (2010). “Experimental and numerical studies of flow structure generated by a submerged sluice gate.” Proc. 1st Eur. IAHR Cong., Edinburgh, UK.
Cassan, L., and Belaud, G. (2011). “Experimental and numerical investigation of flow under sluice gates. ”J. Hydraul. Eng., 10.1061/(ASCE)Hy.1943-7900.0000514.
Castro-Orgaz, O., and Hager, W.H. (2010). “Classical hydraulic jump: basic flow features.” J. Hydraul. Res., 47(6), 744-754.
Fluent, I.N.C. (2006). “FLUENT 6.3 user’s guide.” Fluent documentation. French, R. H., & French, R. H. (1985). “Open-channel hydraulics.”
Furbo, E. (2010). “Evaluation of RANS turbulence models for flow problems with significant impact of boundary layers.”
Ghavidel M., Kouchakzadeh S., Bijankhan M., Belaud G. (Accepted). “Discussion of ‘Numerical modeling of submerged hydraulic jump from a sluice gate’.”J. Irrig. Drain. Eng.
Gumus, V., Simsek, O., Soydan, N., Akoz, M., and Kirkgoz, M. (2015). “Numerical modeling of submerged hydraulic jump from a sluice gate.” J. Irrig. Drain. Eng., 10.1061/(ASCE) IR.1943.4774.0000948.
Gunal, M., and Narayanan, R. (1998). “ turbulence modeling of submerged jumps using boundary-fitted coordinates.” Proc. of the Institution of Civil Eng.-Water, Maritime and Energy, 130(2), 104-114.
Javan, M., and Eghbalzadeh, A. (2013). “2D numerical simulation of submerged hydraulic jumps.”Appl. Math. Modell., 37(10), 6661-6669.
Jesudhas, V., Roussinova, V., Balachandar, R., and Barron R. (2016), “Submerged hydraulic jump study using DES.”J. Hydraul. Eng., 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001231.04016091-1.
Habibzadeh, A., Wu, S., Ade, F., Rajaratnam, N., and Loewen, M.R. (2011), “Exploratory study of submerged hydraulic jumps with blocks.” J. Hydraul. Eng., 10.1061/ (ASCE)0733-9429(2002)128:7(683), 683-688.
Hernandez, O., and Schnoebelen, D. J. (2011).“Comparison of OpenFOAM and FLUENT for steady, viscous flow at pool 8, Mississippi river.”
Hirt, C., and Nichols, B. (1981).“Volume of Fluid (VoF) method for the dynamics of free boundaries.” J. Comput. Phys., 39(1), 201-225.
Kim, D. (2007). “Numerical analysis of free flow past a sluice gate.” KSCE, J. Civil Eng., 11(2), 127-132.
Long, D., Steffler, P. M., Rajaratnam, N. (1990). “LDA study of flow structure in submerged hydraulic jump. Journal of Hydraulic Research, 28(4), 437-460.
Long, D. (1991). “An experimental investigation and  turbulence modeling of submerged hydraulic jumps.” Department of Civil Eng., University of Alberta, Edmonton, Canada.
Long, D., Steffler, P. M., Rajaratnam, N. (1991). “A numerical study of submerged hydraulic jumps.” Journal of Hydraulic Research, 29(3), 293-308.
Lopes, P. (2013). “Free-surface flow interface and air-entrainment modelling using OpenFOAM (Doctoral dissertation).”
Ma, F., Hou, Y., and Prinos, P. (2001).“Numerical calculation of submerged hydraulic jumps.” J. Hydaul. Res., 39(5), 493-503.
Nasehi Oskuyi, N., and Salmasi, F. (2012). “Vertical sluice gate discharge coefficient.” J. Civil Eng. Urban. 2(3), 108-114.
Patankar, S.V., and Spalding, D.B. (1972). “A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows.” Int. J. Heat Mass Transfer, 15(10), 1787-1806.
Raiford, J.P., and Khan, A.A. (2013). “Turbulence schemes for modeling a submerged hydraulic jump.” Eng. And Comp. Mechanics., 166(EM1), 40-51.
Soares, D. V., Loureiro, J. B. R., da Silva Freire, Á. P., & da Fontoura Rodrigues, J. L. A. (2005). “Numerical Simulation of Turbulence in Open-Channel Flows.” Ret, 11(1Re), 1.
Sun, R., & Xiao, H. (2016). “Realistic representation of grain shapes in CFD-DEM simulations of sediment transport: A Bonded-Sphere approach.” arXiv preprint arXiv:1608.01049.
Shu, B., Dammel, F., & Stephan, P. (2011).“Implementation of the level set method into OpenFOAM for capturing the free interface in incompressible fluid flows.”In Proceedings of 5th Open Source CFD International Conference.
Versteeg, H.K., and Malalasekera, W. (2007).“An introduction to computational fluid dynamics-The finite volume method.” 2nd ed., Pearson Educational Limited, ISBN: 978-0-13-12-7498-3, Edinburgh Gate, Harlow, Essex CM20 2JE, England.
Yen, J. F., Lin, C. H., Tsai, C. T. (2001). “Hydraulic characteristics and discharge control of sluice gates.” Journal of the Chinese Institute of Engineers, 24(3), 301-310.
Youngs, D. L. (1984). “An interface tracking method for a 3D Eulerian hydrodynamics code.”,Technical Report, (44/92), 35.
Bijankhan, M. (2014) “The hydraulics of parallel sluice gates in open channels”, a thesis submitted to the school of graduate studies University of Tehran in partial fulfillment of the requirement for the degree of PhD in Hydraulic structures.
Karimi, R., Eghbalzadeh, A, and Javan M, (2010) “Comparison of different turbulence models for simulating hydraulic jump downstream of a sluice gate”, ninth Iranian Hydraulic conference, Tarbiat Modares University.
Khajeh pour, M. Eghbalzadeh, A, and Javan M, (2010) “Numerical simulation of turbulent wall sheet jets in shallow waters”, ninth Iranian Hydraulic conference, Tarbiat Modares University.
Miniatour, E., Javan, M., Eghbalzadeh, A, and Shokri, A., (2011) “Comparison of VOF and Mixture models in simulation of submerged hydraulic jump downstream of a sluice gate”, tenth Iranian Hydraulic conference, Guilan University.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 49، شماره 3
مرداد و شهریور
مرداد و شهریور 1397
صفحه 583-596

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار