بررسي عددي و آزمايشگاهي اثر هندسه پله ها بر جريان روي يك سرريز پلكاني در كانال روباز

Numerical and Experimental Study on the Effects of Step Shape on the Flow Over a Step Spillway in an Open Channel

يكي از راهكارهاي موثر براي اتلاف انرژي در سازه هاي هيدروليكي مانند سرريز ها ايجاد سرريز پلكاني است. دراين مقاله ويژگي هاي الگوي جريان سطح آزاد برروي سرريز پلكاني براي 8 هندسه مختلف پله در يك كانال مستطيلي بررسي شده است. براي اين منظور نتايج شبيه سازي و آزمايشگاهي با هم مقايسه شده است. از روش حجم سيال(VOF) براي مدلسازي سطح آزاد استفاده شده است. نتايج مدلهاي آشفتگي k-ϵ استاندارد، k-ϵ RNG، k-ϵ Realizable، k-ω استاندارد وk-ω SST با نتايج آزمايشگاهي مقايسه گرديده است. با مقايسه پروفيل سطح آزاد آب و مقدار اتلاف انرژي به دست آمده از شبيه سازي و نتايج آزمايشگاهي، اين نتيجه حاصل شد كه مدل k-ω SST به نتايج آزمايشها نزديك تر است. كاركرد اين مدل در تعيين اتلاف انرژي و وضعيت سطح آزاد آب در پنج دبي مختلف بررسي شده است و بهترين هندسه، پله شيبدار مي باشد كه در دبي يكسان داراي بيشترين اتلاف انرژي است.

One of the most effective mechanisms for energy dissipation over the hydraulic structures is the step spillway. In this paper, free-surface flow patterns over a spillway with 8 different geometries of the steps in a rectangular channel are investigated. For this purpose, the simulation results and laboratory measurements were compared. The volume of fluid (VOF) method was used to simulate the free surface flow. The results of the standard k-ε, RNG k-ε, Realizable k-ε, k-ω standard, and SST k-ω models for determination of the free surface and energy dissipation are compared with experimental data. It was concluded that the amount of energy dissipation and free surface profiles in the experiments were closer to the outputs of the SST k-ω model. Performance of this model has been investigated for prediction of the free surface and energy dissipation in five different discharge flow rates. The best step geometry is the sloping step geometry which has the highest energy loss for the same flow rate.