بررسی و تحلیل آستانه وقوع خلأزایی (کاویتاسیون) ناشی از ناهمواری‌های سطحی با توسعه یک مدل عددی

صاحب اثر: سازمان آب و برق خوزستان

نوع محتوی: طرح پژوهشی

زبان: فارسی

استان موضوع گزارش: خوزستان

شهر موضوع گزارش: مسجد سلیمان

شناسه ملی سند علمی: R-1047515

تاریخ درج در سایت: 22 مهر 1397

دسته بندی علمی: مهندسی آب و هیدرولوژی

مشاهده: 510

تعداد صفحات: 166

سال انتشار: 1395

نسخه کامل طرح پژوهشی منتشر نشده است و در دسترس نیست.

من نویسنده این مقاله هستم

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این طرح پژوهشی:

https://civilica.com/doc/1047515

چکیده طرح پژوهشی:

آسیب‌های ناشی از خلأزایی یکی از عوامل تخریب سازه‌های هیدرولیکی می‌باشد، که سرریز سد شهید عباسپور (کارون 1) از جمله مهمترین موارد آن است. از عوامل مهم شکل‌گیری خلأزایی، می‌توان به ناهمواری‌های سطحی اشاره کرد، که در سرعت‌های زیاد سبب افت فشار موضعی جریان شده و موجب تشکیل حباب می‌شوند. حباب‌ها با هدایت به محدودۀ با فشار زیاد، توسط جریان، منفجر شده و باعث وارد آمدن ضربه و صدمه به سطح جدارۀ جریان می‌شوند. برای طراحان، یکی از نیاز‌های مهم، پیش‌بینی آستانه شکل‌گیری خلأزایی، بمنظور تعیین و انجام تمهیداتی در راستای جلوگیری و یا کاهش احتمال وقوع این پدیده است. برای بررسی پدیده خلأزایی در سازه‌های هیدرولیکی، تاکنون مطالعات بیشتر به صورت آزمایشگاهی انجام شده است. روش‌های آزمایشگاهی توسط بکارگیری تونل‌های خلأزایی و ساخت مدل‌های فیزیکی می‌باشند و هزینه‌های بسیار زیادی را به طراحان تحمیل می‌نمایند. همچنین با توجه به تحت فشار عمل کردن تونل‌های خلأزایی، می‌توان گفت نتایج آزمایشگاهی مطالعات خلأزایی در مورد مجاری بسته صادق هستند و با توجه به اهمیت پدیده خلأزایی و خرابی‌های ناشی از وقوع آن، درستی بکارگیری این نتایج در مورد جریان در سازه‌های هیدرولیکی که اغلب روباز هستند، قطعاً نیاز به بررسی دارد. از طرفی هر نوع سازه هیدرولیکی در جریان‌های با سرعت بالا مثل سرریزهای شوت و پلکانی در معرض خلأزایی قرار داشته و نیاز به بررسی آستانه وقوع خلأزائی دارند. برای مطالعه فیزیکی پدیده خلأزایی در این سازه‌ها می‌توان از اتاق‌های خلأ استفاده کرد که این تأسیسات نیز بسیار گران‌قیمت می‌باشند. لذا با توجه به پیشرفت‌های اخیر در سرعت محاسباتی رایانه‌ها، می‌توان از مدل‌ها و روش‌های عددی برای شبیه‌سازی جریان‌های خلأزایی استفاده کرد. در مقایسه با هزینه راه‌اندازی تونل‌ها و اتاق‌های خلأزایی عظیم، روش‌های محاسباتی می‌توانند راه‌حل‌هایی ارزان و بهینه ارائه دهند. تاکنون مدل‌های مختلفی (شامل دو گروه مدل‌های تراکم ناپذیر و تراکم‌پذیر) در زمینه شبیه‌سازی و بررسی امکان وقوع خلأزایی منتشر شده است. اما تاکنون مطالعه جامعی بر روی شبیه‌سازی عددی خلأزایی انجام نشده است. بنابراین با توجه به عدم انجام مطالعه عددی جریان‌های مستعد خلأزایی و تعیین آستانه وقوع خلأزایی، رساله حاضر تعریف شده است. در این رساله ابتدا روش‌ها و مدل‌های موجود با استفاده از کُد منبع باز OpenFoam، بررسی و ضرایب تجربی موجود در آن‌ها با انجام شبیه‌سازی‌های متعدد کالیبره گردیدند. در مطالعه حاضر از بین مدل‌های خلأزایی، مدل‌های مرکل، کانز و شِنِر و سآور با توجه به دارا بودن انعطاف‌پذیری مناسب با ثابت‌ها و نیز تعداد کمتر ضرایب تجربی بکاررفته در آن‌ها و پایداری و همگرایی سریع‌تر نسبت به سایر مدل‌ها، انتخاب و کاربرد آن‌ها در زمینه شبیه‌سازی جریان‌های خلأزایی بررسی گردید. با مقایسه نتایج شبیه‌سازی‌های عددی، مدل خلأزایی کانز و مدل آشفتگی Realizable k-ε با توجه به عملکرد قابل قبول در شبیه‌سازی جریان خلأزایی، برای انجام شبیه‌سازی‌های عددی انتخاب گردیدند. سپس با استفاده از این مدل آستانه وقوع خلأزایی در ناهمواری‌های سطحی با هندسه مختلف تعیین و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیدند. نتایج حاکی از قابل قبول بودن دقت شبیه‌سازی عددی بوده و با بررسی انجام شده، مشخص گردید که پارامتر ارتفاع نسبی (نسبت ارتفاع ناهمواری به ضخامت لایه مرزی)، پارامتری مهم و تأثیرگذار بر عدد آستانه وقوع خلأزایی است. سپس جریان خلأزایی برروی سطوحی نظیر شیار دریچه ها، سطح ناهموار پلکانی (مشابه سرریز پلکانی) و سطح ناهموار مشابه سطح بتن سرریز شوت شبیه‌سازی شد، که در این موارد نیز عملکرد مدل عددی قابل قبول ارزیابی گردید.

با توجه به پیچیدگی شبیه‌سازی فیزیکی جریان خلأزایی با سطح آزاد و نبود اطلاعات در این زمینه، ابتدا توسعه روش و مدل عددی بمنظور شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد در کنار خلأزایی که در کد مورد مطالعه Openfoam وجود نداشت، مورد مطالعه قرار گرفت و سپس این روش توسعه یافته و برروی کُد منبع باز، اعمال گردید. مدل توسعه یافته سطح آزاد برروی یک پله و سطح ناهموار مشابه سطح بتن سرریز شوت بررسی و عملکرد آن قابل قبول ارزیابی شد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نیز بیانگر آن است که با افزایش نسبت ارتفاع مانع به ارتفاع آب، در نظر گرفتن سطح آزاد، عدد آستانه وقوع خلأزایی را کاهش و در نتیجه خلأزایی در سرعت‌های بیشتری رخ می‌دهد. در انتها نیز امکان وقوع خلأزایی در سرریز سد شهید عباسپور مورد بررسی قرار گرفت. مدل توسعه یافته حاصل از مطالعات حاضر را می‌توان برای پیش بینی امکان خلأزایی در مجاری باز و بسته برای مطالعه سازه‌های هیدرولیکی بکار برد.

فهرست مطالب طرح پژوهشی

فصل 1 1

کلیات 1

1-1 مقدمه 1

1-2 پدیده خلأزایی ناشی از ناهمواری‌های سطحی 3

1-3 آستانه وقوع خلأزایی ناشی از ناهمواری‌های سطحی 7

1-4 نوآوری و اهمیت انجام رساله 8

1-5 دستاوردهای رساله 10

1-6 ساختار رساله 10

فصل 2 12

تاریخچه مطالعات 12

2-1 روش‌های مختلف بررسی امکان وقوع خلأزایی 12

2-1-1 روش آزمایشگاهی 12

2-1-1-1 مطالعات آزمایشگاهی بررسی امکان وقوع خلأزایی در ناهمواری‌های سطحی 14

2-1-1-2 مطالعات آزمایشگاهی بررسی امکان وقوع خلأزایی در سرریزها 30

2-1-1-3 اثرات مقیاسی در مطالعات آزمایشگاهی خلأزایی 32

2-1-2 روش عددی 33

2-2 جمع‌بندی مطالعات پیشین 39

فصل 3 41

معادلات حاکم و مدل‌های خلأزایی 41

3-1 معادلات حاکم 41

3-2 مدل‌های خلأزایی 45

3-2-1 مدل خلأزایی مرکل 46

3-2-2 مدل خلأزایی کانز 46

3-2-3 مدل خلأزایی شنر-سآور 46

3-3 نرم‌افزار منبع باز OpenFOAM 47

3-3-1 قابلیت‌های نرم‌افزار منبع باز OpenFOAM 49

3-3-2 حل‌گر interFoam 49

3-3-3 حل‌گر interPhaseChangeFoam 49

3-3-4 شرایط مرزی 50

3-3-4-1 دیوار 50

3-3-4-2 صفحه متقارن 50

3-3-4-3 خالی 50

3-3-4-4 گوه‌ای 50

3-3-4-5 ابزار GroovyBC 50

3-4 مشخصات سیستم رایانه مورد استفاده 51

فصل 4 52

بررسی و تحلیل وقوع خلأزایی ناشی از ناهمواری‌های سطحی در مجاری بسته 52

4-1 شبیه‌سازی خلأزایی بر روی ناهمواری های سطحی 52

4-1-1 شبیه‌سازی عددی دماغه استوانه‌ای 53

4-1-1-1 کالیبره کردن ضرایب تجربی و ارزیابی نتایج 55

4-1-1-2 بررسی تأثیر تشکیل ابر خلأزایی بر هیدرودینامیک جریان 63

4-1-2 شبیه‌سازی عددی ناهمواری قوسی 70

4-1-2-1 صحت‌سنجی و ارزیابی نتایج 71

4-2 مقایسه روش معمول (جریان تکفازی) و روش حاضر (جریان دوفازی) در شبیه‌سازی جریان خلأزایی 72

4-3 تعیین عدد آستانه وقوع خلأزایی 75

4-3-1 برآمدگی سطحی شیبدار 75

4-3-2 برآمدگی سطحی گردگوشه 86

4-3-3 شیار دریچه 90

4-4 امکان وقوع خلأزایی در زبری‌های منفرد و یکنواخت (توزیع شده) 93

4-4-1 زبری مربعی 93

4-4-2 زبری مثلثی 97

4-5 امکان وقوع خلأزایی در سازه‌های هیدرولیکی 99

4-5-1 سرریز شوت (سطح موج دار) 99

4-5-2 سرریز پلکانی (ناهمواری پلکانی) 101

4-6 جمع‌بندی 107

فصل 5 110

بررسی و تحلیل وقوع خلأزایی ناشی از ناهمواری‌های سطحی در مجاری روباز 110

5-1 توسعه مدل عددی 110

5-2 ارزیابی صحت عملکرد حل‌گر توسعه یافته fsInterPhaseChangeFoam در تعیین سطح آزاد 112

5-2-1 شبیه‌سازی عددی جریان از روی برآمدگی پله 112

5-3 تعیین عدد آستانه وقوع خلأزایی با استفاده از حل‌گر توسعه یافته fsInterPhaseChangeFoam 115

5-3-1 برآمدگی پله 115

5-3-2 سرریز شوت (سطح موج دار) 117

5-4 امکان وقوع خلأزایی در سرریز سد شهید عباسپور (کارون 1) 119

5-4-1 مشخصات سرریز 119

5-4-2 شبیه‌سازی عددی با استفاده از حل‌گر توسعه یافته fsInterPhaseChangeFoam 121

5-5 جمع‌بندی 124

فصل 6 126

نتیجه‌گیری و پیشنهادها 126

6-1 جمع‌بندی و نتیجه‌گیری 126

6-2 پیشنهادهایی جهت انجام مطالعات آتی 128

مراجع 129

نمایش کامل متن

کلیدواژه ها:

ابر خلأزایی ، عدد آستانه وقوع خلأزایی ، کُد منبع باز OpenFoam ، ناهمواری سطحی ، سازه‌های هیدرولیکی ، مدل عددی

نویسندگان

سیدعلی اکبر صالحی نیشابوری

رضا اسماعیلی

امیررضا زراتی

مراجع و منابع این طرح پژوهشی:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این طرح پژوهشی را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود طرح پژوهشی لینک شده اند :

طباطبایی، ج.، 1371، «کاویتاسیون و راه‌های مقابله با آن»، پایان‌نامه ...
سررشته‌داری، ع.، واردی، ر.، 1391، مدلسازی جریان سیالات و انتقال ...
گزارش مدل هیدرولیک سرریز سد شهید عباسپور (کارون)، مؤسسه تحقیقات ...
قوچانی، م.، 1385، «شبیه‌سازی عددی شکل‌گیری کاویتاسیون در سرریز شوت»، ...
Arndt, R., Kawakami, D., Wosnik, M., Perlin, M., Admiraal, D., ...
Kim, S.E., Schroeder, S., and Jasak., H., 2010, A Multi-phase ...
Plesset, M.S., 1957, Physical Effects on Cavitation and Boiling, Proceedings ...
Plesset, M.S., S.A., and Zwick, 1954, The Growth of Vapor ...
Epstein, P.S., and Plesset, M.S., 1950, On the Stability of ...
Knapp, R.T., and Hollander, A., 1948, Laboratory Investigations of the ...
Knapp, R.T., Daily, J.W., and Hammitt, F. G., 1970, Cavitation, ...
Arndt, R.E.A., Balas, G.J., and Wosnik, M., 2005, Control of ...
Cassidy, J.J., and Elder, R.A., 1984, Spillways of High Dams, ...
Dong, Z.Y., Chen, L., and Ju, W.J., 2007, Cavitation Characteristics ...
Dong, Z., Wu, Y., and Zhang, D., 2010, Cavitation Characteristics ...
Goon, H.J., 1973, Cavitation Potential at an Irregularity, U. S. ...
Arndt, R.E.A., 1981, Recent Advances in Cavitation Research, Advances in ...
Galperin, R.S., Sokolov, A.G., Semenkov, V.M., and Tserdov, G.N., 1977, ...
Dong, Z., Wu, Y., and Zhang, D., 2008, Cavitation Characteristics ...
Franc, J., and Michel, J., 2004, Fundamentals of Cavitation, Kluwer ...
Holl, J.W., 1960, The Inception of Cavitaion on Isolated Surface ...
Novak, P., Guinot, V., Jeffrey, A., and Reeve, D.E., 2010, ...
Daily, J.W., 1947, The Water Tunnel as a Tool in ...
Brandner, P.A., Lecoffre, Y., and Walker, G.J. 2007, Design Considerations ...
Kenn, M.J., 1984, Flow Visualization Aids Cavitation Studies, Symposium on ...
Singhal, A.K., Athavale, M.M., Li, H., and Jiang, Y., 2002, ...
Holl, J.W., 1958, The Effect of Surface Irregularities on Incipient ...
Arndt, R.E.A., 1967, Cavitation Near Surfaces of Distributed Roughness, Ph.D. ...
Arndt, R.E.A., and Ippen, A. T., 1968, Rough Surface Effects ...
Benson, B.W., 1966, Cavitation Inception on Three Dimensional Roughness Elements, ...
Shalnev, K.K., 1951, Cavitation Due to Unevenness of the Surface ...
Ball, J.W., 1959, Hydraulic Characteristics of Gate Slots, Journal of ...
Ball, J.W., 1963 Construction Finishes and High Velocity Flow, Journal ...
Ball, J.W., 1976, Cavitation From Surface Irregularities in High Velocity, ...
Colgate, D., and Elder, R., 1961, Design Considerations Regarding Cavitation ...
Falvey, H.T., 1990, Cavitation in Chutes and Spillways, Engineering Monograph ...
Colgate, D., 1977, Cavitation Damage in Hydraulic Structures, International Conference ...
Jin, T., Liu, C., and Liu, X., 1980, Cavitation Inception ...
Zharov, N.E., 1978, Cavitation Parameters of Flows Near Surface Irregularities, ...
Rouse, H., and McNown, J.S., 1945, Cavitation and Pressure Distribution: ...
Arndt, R.E.A., 1979. Influence of Surface Irregularities on Cavitation Performance, ...
Liu, C., 1983, A Study on Cavitation Inception of Isolated ...
Zhou, S., and Xu, X., 1984, Pressure Distribution and Incipient ...
Nie, M., 2001, Cavitation Prevention with Roughened Surface, Journal of ...
Peterka, A.J., 1953, The Effect of Entrained Air on Cavitation ...
Foerster, K.E., and Anderson, A., 1969, Model Study of the ...
Wang, X., and Zhou, L., 1979, The Method of Calculation ...
Frizell, K.W., Renna, F.M., and Matos, J., 2013, Cavitation Potential ...
Keller, A.P., 1994, New Scaling Laws for Hydrodynamic Cavitation Inception, ...
Ventikos, Y., and Tzabiras, G., 2000, A Numerical Method for ...
Coutier-Delgosha, O., Reboud, J.L., and Delannoy, Y., 2003, Numerical Simulation ...
Liu, T.G., Khoo, B.C., and Xie, W.F., 2004, Isentropic One-Fluid ...
Kunz, R.F., Boger, D.A., Stinebring, D.R., Chyczewski, T.S., Lindau, J.W., ...
Merkle, C., Feng, J., and Buelow, P., 1998, Computational Modeling ...
Singhal, A.K., Athavale, M.M., Li, H., and Jiang, Y., 2002, ...
Zhang, L.X., and Khoo, B.C., 2013, Computations of Partial and ...
Kunz, R., Boger, D., Chyczewski, T., Stinebring, D., and Gibeling, ...
Kunz, R.F., Lindau, J.W., Billet, M.L., and Stinebring, D.R., 2001, ...
Rayleigh, L., 1917, On the Pressure Developed in a Liquid ...
Senocak, I., and Shyy, W., 2002, A Pressure-Based Method for ...
Wikstrom, N., 2005, Modeling of Cavitating Flow Around a Stationary/Moving ...
Schmidt, C.J., and Rutland, D.P., 1999, A Fully Compressible, Two-Dimensional ...
Schnerr, G., and Sauer, J., 2001, Physical and Numerical Modeling ...
Venkateswaran, S., Lindau, J.W., Kunz, R.F., and Merkle, C.L., 2002, ...
Kubota, A., Kato, H., and Yamaguchi, H., 1992, A New ...
Morgut, M., Nobile, E., and Biluš, I., 2011, Comparison of ...
Hinze, J.O., 1975, Turbulence, McGraw-Hill Publishing Co., New York, USA. ...
Luo, X.W., Ji, B., Peng, X.X., Xu, H.Y., and Nishi, ...
Roohi, E., Zahiri, A.P., and PassandidehFard, M., 2013, Numerical Simulation ...
Rodi, W., 1993, Turbulence Models and Their Application in Hydraulics, ...
Tepes, P., 2005, Numerical Simulation of Unsteady Turbulent Cavitating Flows, ...
Yeoh, G.H., and Tu, J.Y., 2009, Computational Techniques for Multiphase ...
Jakirlić, S., and Hanjalić, K., 2002, A New Approach to ...
Fluent User’s Guide, Fluent Inc. 2001. ...
Liu, C.L., Zhu, H.R., and Bai, J.T., 2008, Effect of ...
Segal, G., Vuik, K., Kuppen, W., and Zijlema, M., 1993, ...
Qian, Z.D., Hu, X.Q., Huai, W.X., and Amador, A., 2009, ...
Menter, F.R., Kuntz, M., and Langtry, R., 2003, Ten Years ...
Hirt, C.W., and Nichols, B.D., 1981, Volume of Fluid (VOF) ...
Shang., Z., 2013, Numerical Investigations of Supercavitation Around Blunt Bodies ...
Rusche, H., 2002, Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-phase Flows ...
Gomaa, H., Kumar, S., Huber, C., Weigand, B., and Peters, ...
Brennen, C.E., 1995, Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press, ...
Yuan, W., and Schnerr, G.H., 2001, Cavitation in Injection Nozzles ...
OpenFOAM, 2013, The Open Source CFD Toolbox User Guide, Version ...
Callenaere, M., Franc, J.P., Michel, J.M., and Riondet, M., 2001, ...
Stinebring, D.R., Billet, M.L., and Lindau, J.W., 2001, Developed cavitation-cavity ...
Holl, J.W., and Wislicenus, G.F., 1961, Scale Effects on Cavitation, ...
Deshpande, S.S., Anumolu, L., and Trujillo, M.F., 2012, Evaluating the ...
Liu, X, and Garcia, M.H., 2008, Three-Dimensional Numerical Model with ...
Saito, K., Srinivasan, V., and Salazar, A.J., 2011, Modeling the ...
Trujillo, M.F., Alvarado, J., Gehring, E., and Soriano, G.S., 2011, ...

نمایش کامل مراجع