بررسی عددی اندرکنش هیدرودینامیکی فرآیند تخلیه از مجرا در مخازن لایه‌بندی شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی، گروه رودخانه و دریا، پژوهشکده مهندسی هیدرولیک و محیط های آبی -موسسه تحقیقات آب-

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

4 پژوهشکده مهندسی هیدرولیک و محیط های آبی، موسسه تحقیقات آب، وزارت نیرو، تهران، ایران

چکیده

موضوع تخلیه جریان از مجاری در مخازن لایه‌بندی شده و اثرات متقابل آن درمحیط لایه‌بندی، یکی از مباحث مهم در هیدرولیک مجاری و دریچه‌ها می‌باشد. مدل­سازی رفتار متفاوت الگوی جریان در هنگام تخلیه دبی جریان از مجرای تعبیه شده در بدنه سد با وجود لایه‌بندی در مخزن، هدف مهم این تحقیق می‌باشد. بهره­مندی از مدل­سازی عددی، این امکان را فراهم می­سازد که به مدیریت بهینه در مخازن لایه­بندی شده نزدیک شد. در این تحقیق، نخست توانمندی مدل ریاضی در یک سناریو مشابه با مدل آزمایشگاهی یک مجرای تخلیه مورد ارزیابی قرار گرفت. با مقایسه میان نتایج میان دو مدل، عملکرد مدل ریاضی قابل قبول تشخیص داده شد. بعد از ارزیابی مدل و تایید عملکرد آن، مدل­سازی عددی با شش دبی انتخابی در مقیاس واقعی به منظور بررسی اندرکنش هیدرودینامیکی فرآیند تخلیه در مخزن لایه­بندی شده انجام گردید. مطابق نتایج مدل به تفکیک مومنتم ایجاد شده در مخزن ناشی از میزان دبی تخلیه، سه حالت لایه­ای پایدار، اختلاط ضعیف و اختلاط شدید مابین لایه­ها مشاهده گردید. نتایج نشان داد که تا دبی به میزان 10 مترمکعب بر ثانیه، تنها تخلیه از لایه روبروی مجرا در مخزن صورت گرفته و به بیان دیگر اختلاطی میان لایه­های مخزن شکل نمی­گیرد (حالت لایه­ای پایدار). این در حالی است که شروع ناپایداری و اختلاط لایه­ها در دبی تخلیه 40 مترمکعب بر ثانیه وقوع یافت و با افزایش دبی تا 90 مترمکعب برثانیه شاهد وقوع اختلاط شدید مابین لایه­ها بوده و به نوعی همه لایه­ها با چگالی متفاوت در فرآیند تخلیه درگیر شدند. در این حالت به عبارتی جریان لایه بندی چگالی را حس نمی­کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Hydrodynamic Interaction of Outlet Discharge Process in Stratified Reservoirs

نویسندگان [English]

  • Shervin Faghihirad 1
  • Hamidreza Hajiaghamir 2
  • Fouad Kilanehei 3
  • Hossein Ardalan 4
1 Assistant Professor, Hydro-Environment Department, Water Research Institute, Ministry of Energy, Tehran, Iran
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering and Technology, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
3 Assistant professor, Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin
4 Hydro-Environment Department, Water Research Institute, Ministry of Energy, Tehran, Iran
چکیده [English]

The problem of flow discharge from outlet in stratified reservoirs and its interactions in the stratification environment is one of the most important problems in hydraulics of gates and conduits. Investigation and modeling of different behavior of the flow pattern during discharge from the outlet despite stratified reservoir is an objective of this paper. The use of numerical modeling makes it possible to approach optimal management in stratified reservoirs. In this paper, firstly, the evaluation of the numerical model was carried out by the result of a laboratory outlet model in a similar manner. By comparing the results between the two models, the ability of the mathematical model was acceptable. After that, the numerical model was run with six selected flow rates in real scale to investigate the hydrodynamic interaction of the discharge process in the stratified reservoir. According to the numerical results, three modes containing stable, poor and heavy mixing among layers was occurred. The results showed up to discharge rate of 10 CMS (cubic meters per second), only the layer in front of the outlet is evacuated and no mixture is formed among other layers. However, the start of instability and mixing layers found in the discharge rate of 40 CMS and by increasing up to 90 CMS, the intensive mixing among layers was observed and all dense layers were involved in the discharge process. In this case, flow will not feel stratification.

کلیدواژه‌ها [English]

  • numerical modelling
  • Stratified Reservoirs
  • Outlet Discharge
  • salinity
Ardalan, H., Vafaeim F., Azizi, M., Gohary Kamel, D. and Kalateh Arabi, A., (2018). Investigation of the Velocity and Angle Effects on the Behavior of Brine Discharge by Inclined Jet into the Stationary and Homogenize Ambient. Journal of Oceanography, 9(33), pp.51-58.
Bartosiewicz, Y., Lavieville, J., Seynhaeve, J. M. (2008). A first assessment of the NEPTUNE-CFD code: Instabilities in a stratified flow comparison between the VOF method and a two-field approach.
Behmanesh J., Hamzehpour S., Mohammadnejad B. (2012). Evaluation of water quality conditions in dam reservoirs using two-dimensional model CE-QUAL-W2. 11th Iran Hydraulic Conference, Urmia University, Iran, November 17-18 (InFarsi)
Faghihirad S., Ardalan H., Nikkhah A., Esfandiarnejad A. (2020). Physical Simulation of Discharge Flow from Deep Conduit in Dense Reservoir (In Terms of Use in the Gotvand Dam Deep Pipe). Amirkabir J. Civil Eng., 52(7): 1-23( In Farsi)
Gaillard, J., (1984). Multilevel Withdrawal and water Quality. Journal of Environmental Engineering. ASCE, Vol. 110 , No. I. February, PP. 123-130.
Graeme C. Hocking, Bradford S. Sherman, and John C. Patterson. (1988). algorithm for selective withdrawal from stratified reservoir. Journal of Hydraulic Engineering. Ng.  Vol. 114, No. 7, July, 1988.
Hutchinson, G. E.; Löffler, H. (1956). The Thermal Classification of Lakes. PNAS. 42 (2): 84–86. Bibcode:1956PNAS...42...84H.
Imberger, J. and Patterson, J. C. (1980). "Dynamic Reservoir Simulation Model-DYRESM:5. In Transport Models for Inland and Coastal Waters". Academic Press New York. Proceedings of a Symposium on Predictive Ability, Berkeley, California, August 18-20, 1980. p 310-361, 12 fig, 36 ref
Jamali, M., Seymour, B, and Kasaiian, R., (2005). Numerical and experimental study of flow of a stratified fluid over a sill towards a sink, Physics of Fluids, 17 (057106).
Khosravi J.,Hashemi Mofrad A., Azhdari Moghaddam M., Khajehpour A. (2015). Simulation of thermal, salinity and dissolved oxygen layering in Shirin Dareh dam reservoir using two-dimensional model CE-QUAL-W2. 10th International Congress of Civil Engineering. Faculty of Civil Engineering, Iran, Tabriz. (In Farsi)
Lewis, William M., Jr. (1983). A revised classification of lakes based on mixing. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 40 (10): 1779–1787. doi:10.1139/f83-207. Archived from the original (PDF) on 6 March 2009.
Palmer, M. (2001). Water Quality Modeling: A Guide to Effective Practice. Washington, DC: World Bank. © World Bank. https://openknowledge.worldbank.org/handle/10986/13914 License: CC BY 3.0 IGO.”
Raphael, J.M. (1962). Prediction of temperatures in rivers and reservoirs. J. Power Div., Proc. ASCE, 88:p.157-181.
Reynolds, C.S. (1992). "Daynamics, selection and composition of phytoplankton in relation to vertical structure in lakes". Arch Hidrobiol. Beih Ergbn. Limnologie, 35, pp. 13-31.
Spigel, R., Farrant, B. (2010) Selective Withdrawal Through A Point Sink And Pycnocline Formation In A Linearly Stratified Flow. Journal of Hydraulic Research.
Wetzel, Robert G. (2001). Limnology: Lake and River Ecosystems (Third ed.). New York: Academic Press. ISBN 978-0-12-744760-5.
White, B,L. Helfrich, K, R. (2007). Gravity Currents and Internal Waves in a Stratified Fluid. Journal of Fluid Mechanics.
Zouabi-Aloui, B., Adelana, M., Gueddari, M. (2015). Effects of selective withdrawal on hydrodynamics and water quality of a thermally stratified reservoir in the southern side of the Mediterranean Sea: a simulation approach. Environ Monit Assess