شبیه‌سازی سه‌بُعدی میدان جریان در حوضچه‌ رسوب‌گیر گردابی با استفاده از مدل عددی SSIIM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

انتقال رسوبات در کانال­های آبیاری یکی از چالش­های مهم در طراحی سیستم­های آبیاری می­باشد. حوضچه رسوب­گیر گردابی (VSB) یکی از انواع رسوب­گیرهای با ابعاد کم و راندمان بالا می­باشد که با استفاده از گردابه­های جریان، رسوبات را حذف می­کند. پژوهش­های صورت گرفته در مورد ساختار جریان در VSBها عمدتا بر پایه مدل­های فیزیکی و آزمایشگاهی بوده و مطالعات مدلسازی ریاضی کمی در مورد ساختار جریان درون این نوع رسوب­گیر انجام شده است. در این پژوهش میدان جریان سه­بعدی درون VSB با استفاده از مدل SSIIM شبیه­سازی شد و نتایج میدان سرعت حاصل از مدل­های تلاطمی موجود در مدل با مقادیر آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل SSIIM قادر به شبیه­سازی پدیده­های غالب درون VSB همچون گردابه مرکزی و گردابه­های ثانویه در اطراف دیواره­ها می­باشد. همچنین نتایج نشان داد که توزیع سرعت مماسی در حوضچه رسوب­گیر گردابی در بعضی از قسمت­های میدان که دارای فاصله بیشتری از کانال­های ورودی و خروجی می­باشند، از توزیع گردابه ترکیبی رانکین پیروی می­کند هر چند این گزاره در همه قسمت­های میدان صادق نیست. مدل تلاطمی k-ε نتایج غیرقابل قبولی را برای توزیع سرعت مماسی بدست می­دهد، در حالی که  توزیع­های سرعت مماسی و شعاعی بدست آمده از مدل k-ω انطباق قابل قبولی با اندازه­گیری­های آزمایشگاهی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

3D Simulation of Flow Field in Vortex Settling Basin Using SSIIM Numerical model

نویسندگان [English]

  • Sarem Norouzi 1
  • Alinaghi Ziaei 2
  • Ashkan Tehrani 1
1 Department of Irrigation and Reclamation Engineering, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Department of Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده [English]

Sediment transport in irrigation canals is an important issue in the design and operation of irrigation systems. The vortex‐settling basin (VSB) is a small scale, efficient, and economical device that using only the flow vortices to remove sediments. Most studies which explain flow patterns in VSBs are experimentally based on velocity measurements inside the VSBs in the laboratoary, and mathematical modeling studies are rare. The SSIIM model was used in this study to simulate the three-dimensional velocity distribution in a VSB, and the flow distribution obtained from available turbulence models in SSIIM were compared with experimental measurements. The results showed that the SSIIM model is able to capture the main features of the flow field, including the central vortex and secondary flows near the walls. The results also indicate that tangential velocity follows the combined Rankin vortex only in regions far from the inlet and outlet channels; however, this statement is not true in other regions. The k-ε turbulence model produces unacceptable results for the tangential velocity distribution, while both the tangential and radial velocity distributions obtained from the k-ω model are in reasonable agreement with laboratory measurements.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vortex settling basin (VSB)
  • Flow field simulation
  • SSIIM numerical model

مراجع

Almeland, S. K., Olsen, N. R., Bråveit, K., & Aryal, P. R. (2019). Multiple solutions of the Navier-Stokes equations computing water flow in sand traps. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 13(1), 199-219.
Ansari, M. A., & Athar, M. (2013). Artificial neural networks approach for estimation of sediment removal efficiency of vortex settling basins. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 19(1), 38-48.
Anwar, H. O. (1967). Vortices at low-head intakes. Water Power, 19(11), 455-457.
Athar, M., Kothyari, U. C., & Garde, R. J. (2002). Sediment removal efficiency of vortex chamber type sediment extractor. Journal of hydraulic engineering, 128(12), 1051-1059.
Athar, M., Kothyari, U. C., & Garde, R. J. (2003). Distribution of sediment concentration in the vortex chamber type sediment extractor. Journal of Hydraulic Research, 41(4), 427-438.
Cecen, K., & Bayazit, M. (1975). Some laboratory studies of sediment controlling structures. In 9th Congress of ICID, Moscow (pp. 107-111).
Chapokpour, J., Farhoudi, J., & Tokaldani, E. A. (2011). Turbulent flow measurement in vortex settling basin. Iranica Journal of Energy & Environment, 2(4), 382-389.
Chapokpour, J., Farhoudi, J., Tokaldany, E. A., & Majedi-Asl, M. (2012). Flow Visualization in Vortex Chamber. J. Civil Eng. Urb, 2, 26-34.
Curi, K. V., Esen, I. I., & Velioglu, S. G. (1979). Vortex type solid liquid separator. Progress in Water Technology, 7(2), 183-190.
Ghobadian, R., Basiri, M., & Tabar, Z. S. (2018). Interaction between channel junction and bridge pier on flow characteristics. Alexandria engineering journal, 57(4), 2787-2795.
Julien, P. Y. (1985). Motion of sediment particles in a Rankine combined vortex. CER; 84/85-6.
Keshavarzi, A. R., & Gheisi, A. R. (2006). Trap efficiency of vortex settling chamber for exclusion of fine suspended sediment particles in irrigation canals. Irrigation and Drainage: The journal of the International Commission on Irrigation and Drainage, 55(4), 419-434.
Mashauri, D. A. (1986). Modelling of a vortex settling basin for primary clarification of water.
Ogihara, H., & Sakaguchi, S. (1984). New system to separate the sediments from the water flow by using the rotating flow. In Proceedings of 4th Congress of the Asian and Pacific Division, IAHR, Chiang Mai, Thailand (pp. 753-766).
Olsen, N. R. B. (2007). A three dimensional numerical model for simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option, User’s manual. Norwegian Univ. of Science and Technology, Trondheim, Norway.
Olsen, N. R. B. (2009). A three-dimensional numerical model for simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option. Department of Hydraulic and Environmental Engineering: the Norwegian University of Science and Technology.
Olsen, N. R. B., & Hillebrand, G. (2018). Long-time 3D CFD modeling of sedimentation with dredging in a hydropower reservoir. Journal of Soils and Sediments, 18(9), 3031-3040.
Patankar, S. V. (1980). Numerical heat transfer and fluid flow(Book). Washington, DC, Hemisphere Publishing Corp., 1980. 210 p.
Paul, T. C., Sayal, S. K., Sakhuja, V. S., & Dhillon, G. S. (1991). Vortex-settling basin design considerations. Journal of Hydraulic Engineering, 117(2), 172-189.
Rea, Q. (1984). Secondary currents within the circulation chamber sediment extractor. M. Sc. Engineering dissertation, presented to Faculty of Engineering and Applied Science, Department of Civil Engineering, Institute of Irrigation Studies, University of Southampton, England.
Salakhov, F. S. (1975). Rotational design and methods of hydraulic calculation of load-controlling water intake structures for mountain rivers. In Proceedings of Ninth Congress of the ICID, Moscow Soviet Union (pp. 151-161).
Sanmuganathan, K. (1985). A note on the outlet pipe design for circulation chamber silt extractors. Hydraulics Research.
Schlichting, H. (1979). Boundary-Layer Theory, McGraw-Hill, Inc.
Sheikh Rezazadeh Nikou, N., Ziai, A., Ansari, H. (2018). Study of Vortex Settling Basin Performance for Different Discharges by Experimental and Numerical Modeling. Iranian Journal of Irrigation & Drainage, 12(4), 798-810 (In Farsi)
Sullivan, R. H., Cohn, M. M., Coomes, J. P., & Smission, B. S. (1972). The swirl concentrator as a combined sewer overflow regulator facility. Report No: EPA-R2-72-008, US Environmental Protection Agency, Washington, DC.
Svarovsky, L. 1981. Solid-Liquid sepration. Butterworth and Co. Ltd., Essex, UK: 162-188
Vatistas, G. H. (1989). Analysis of fine particle concentrations in a combined vortex. Journal of Hydraulic Research, 27(3), 417-427.
Velioglu, S. G. (1972). Vortex type sedimentation tank. MSc Engineering thesis, Bogasiqi Univ., Turkey.
Vokes, F. C., & Jenkins, S. H. (1943). Experiments with a Circular Sedimentation Tank. Journal of the Institution of Civil Engineers, 19(3), 193.
Wilcox, D.C. (2000) “Turbulence modelling for CFD”, DCW industries, ISBN. 0-9636051-5-1
Zhou, Z., Wang, C., and Hou, J. (1989). Model study on flushing cone with strong spiral flow. In Proceedings, 4th International Symposium on River Sedimentation, Beijing, pp. 1213–1219.
Ziaei, A. N. (2000). Study on the efficiency of vortex settling basin (VSB) by physical modeling (Doctoral dissertation, MSc. Thesis, Shiraz University, Shiraz, Iran).
Ziaei,A.N. (2007). Generalized three-dimensional curvilinear numerical modeling of laminar and turbulent free-surface flows in a vortex settling basin. PhD Thesis, Shiraz University, Shiraz, Iran.
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 51، شماره 11
بهمن 1399
صفحه 2925-2936

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار