به‌كارگيري ديناميك سيالات محاسباتي در مدل سازي سلول هاي جريان ثانويه در كانال ذوزنقه اي

Application of Computational Fluid Dynamics for Modeling of Secondary Flow cells in Trapezoidal Channel

جريان عبوري از كانال ها داراي سه مولفه‌ي سرعت، يك مولفه در جهت جريان و دو مولفه در جهت عرضي كانال است. در اثر ناهمگني نوسانات سرعت، يك سري گردابه هاي چرخشي در مقطع كانال ايجاد مي‌گردند كه سلول هاي جريان ثانويه ناميده مي شوند. اين سلول ها سبب ايجاد تنش برشي عرضي در جداره هاي كانال مي‌شوند و در نتيجه بحث فرسايش و آبشستگي جداره هاي كانال را مطرح مي‌كنند. ناهمگني آشفتگي به‌علت شرايط مرزي بستر، ديواره‌ي جانبي و سطح آزاد، نسبت ابعادي كانال و هندسه‌ي كانال به‌وجود مي آيد. مكانيزم ايجاد جريان‌هاي ثانويه را مي توان به‌كمك معادله‌ي چرخش طولي بيان نمود. در اين تحقيق با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) و نرم افزار ANSYS CFX، جريان در كانال هاي ذوزنقه اي مدل سازي خواهد شد و علاوه بر بررسي عملكرد CFD در مدل سازي سلول هاي جريان ثانويه، توزيع سرعت عمق ميانگين و تنش برشي مرزي در كانال مورد بررسي قرار خواهد گرفت. در اين راستا براي ارزيابي مدل ساخته شده از مدل آزمايشگاهي توميناگا و همكاران و مدل تحليلي شينو و نايت بهره گرفته شده است. با صحت سنجي مدل عددي ساخته شده براساس نتايج آزمايشگاهي توافق خوبي مشاهده گرديد. نتايج حاكي از عملكرد به‌تر مدل آشفتگي تنش برشي رينولدزSSG در مدل سازي سلول هاي جريان بود. سطح همگرايي 4-10 به‌دليل پايداري نتايج در آن به عنوان سطح همگرايي بهينه انتخاب شد.

Channel flows have three components of velocity, 1component in flow direction and 2components in spanwise of Channel. Because of heterogeneity of velocity undulations, in the channel section the vortices are formed that are nominated “Secondary Current Cells”. These cells cause the lateral shear stress in the channel walls and introduce the erosion and scour of the channel walls. Heterogeneity of the turbulency is caused due to boundary conditions of the bed, side wall and free surface, the aspect ratio and the geometry of the channel. The mechanism of secondary currents can be expressed by longitudinal vorticity equation. In this research, the flow in trapezoidal channels has been modeled using the “Computational Fluid Dynamics” (CFD) with “ANSYS CFX” soft ware, and additional to investigation of sufficiency of CFD in modeling of secondary flow cells, depth averaged velocity and boundary shear stress distributions are perused. For this purpose, the experimental model of Tominaga, and analytical model of Shiono and knight has been used to verify the numerical results. The numerical results are in agreement with the experimental and analytical models.