بررسی عددی و آزمایشگاهی وقوع پدیده کاویتاسیون در مجاری تخلیه کننده تحتانی

بررسی عددی و آزمایشگاهی وقوع پدیده کاویتاسیون  در مجاری تخلیه کننده تحتانی

بدیهی است منابع آب برای حیات موجودات زنده و بخصوص زندگی بشر امری ضروری است.. تخلیه کننده‌ها مجموعه‌ای از سازه‌ها هستند که برای انتقال آب از دریاچه سد به نقطه تخلیه در پایین دست به‌کار می‌روند. از اینرو به دلیل اهمیت موضوع این بخش از سد، تحلیل عملكرد تخلیه کننده شامل مجرا، دریچه‌ها و خروجی آن از حساسیت خاصی برخوردار است. وجود جریان تحت فشار در بالادست دریچة تخلیه کننده، وجود افت انرژی جریان به علت عوامل مختلف و همچنین مقادیر بسیار کم نسبت باز شدگی دریچه به هد آب روی دریچة تخلیه کننده، سبب می‌شود استفاده از روابط و نتایج به دست آمده از روش‌های تئوری باعث خطاهای چشمگیری در تعیین پارامترهای مختلف مربوط به تخلیه کننده‌ها از جمله مقادیر افت فشار دریچه‌ها و ظرفیت آب‌گذری آن شود. پایان نامه حاضر، با هدف بررسی توزیع فشار در نقاط مختلف مجرای تخلیه‌کننده، تعیین ظرفیت آب‌گذری دریچه و محاسبه ضریب آبگذری آن، بررسی امکان رخداد کاویتاسیون، مقایسه حالت های ارائه شده برای هوادهی بعد از دریچه سرویس و پس از دریچه اضطراری در صورت عملکرد توام دو دریچه، همچنین تعیین ضرایب افتهای اصلی در مجرا شامل؛ افت اصطکاکی، افت ناشی از تبدیل و افت دریچه، با استفاده از داده‌های به دست آمده از مدل فیزیکی تخلیه کننده تحتانی سد نرماشیر، صورت گرفته است. بر این اساس از مدل فیزیکی مجرا و دریچه ها (سرویس و اضطراری) که در آزمایشگاه مرکز تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری ساخته شده استفاده شد وآزمایشات لازم انجام پذیرفت. مقادیر هد فشار در نقاط مختلف و میزان آبگذری دریچه درسه  تراز  ماکزیمم و نرمال و مینیمم مخزن اندازه­گیری و نتایج آن در جداول و نمودارهای مربوطه ارائه شدند همچنین با استفاده از نرم افزار Flow 3D  مدل عددی تخلیه کننده در این هد و در سه بازشدگی 60 ،80 و100 درصد شبیه سازی شد تا هم مقایسه ای بین نتایج آزمایشگاهی و عددی شده باشد و هم نتایج های پیشین در این پایان نامه مورد مقایسه قرار گیرد. در ادامه خواهیم دید در هردو صورت عملکرد تک دریچه و در صورت عملکرد توام اندیس کاویتاسیون در نواحی بحرانی مثل شیار دریچه ها و بین دریچه ها درحالت تک دریچه در محدوده مجاز قرار داشته و عملا خطر وجود کاویتاسیون را  منتفی می سازد اما در حالت عملکرد توام در بعضی بازشدگی ها فشارها منفی گشته و احتمال وقوع کاویتاسیون را می دهد .

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                              صفحه 

 فصل اول: مقدمه

1-1-مقدمه. 2

1-2-متدولوژی تحقیق.. 2

1-2-1-تعریف تخلیه کننده تحتانی.. 2

1-2-2-میدان جریان درتخلیه کننده 5

1-2-3-مکانیزم کاویتاسیون در تخلیه کننده ها 6

1-2-4-پارامترهای موثر بر آن. 10

1-2-5-راه های جلوگیری از آن. 10

1-3-اهمیت موضوع. 11

1-4-اهداف تحقیق.. 11

1-5-معرفی فصول پایان نامه. 12

فصل دوم : مروری بر پیشینه تحقیق

2-1-1-روش تجربی.. 14

2-1-2-روش ریاضی.. 18

2-2-طرح هیدرولیكی تخلیه کننده ها 19

2-2-1-بررسی جریان آزاد در تخلیه کننده ها 19

2-2-2-بررسی جریان تحت فشار در مجاری تخلیه کنند ها 21

2-2-3-جریان آب و هوا در تخلیه کننده تحتانی.. 24

2-3-هوادهی در تخلیه کننده تحتانی.. 31

2-3-1-مقدمه ای بر هوادهی.. 31

2-3-2-لزوم هوادهی پایین دست دریچه ها 32

2-3-3-عوامل موثر بر هواگیری جریان پایین دست دریچه. 32

2-3-4-هوادهی بین دو دریچه. 33

2-3-5-ملاحظات طراحی.. 34

فصل سوم: کارهای آزمایشگاهی و عددی

3-1-مقدمه. 37

3-2-مشخصات كلی سد نرماشیر. 38

3-2-1-رودخانه نرماشیر. 38

3-2-2-موقعیت جغرافیایی و مشخصات کلی سدنرماشیر و تاسیسات وابسته. 38

3-2-3-تخلیه کننده تحتانی.. 39

3-3-شرحی بر مدل‌های فیزیکی.. 40

3-3-1-معادلات حاکم. 40

3-3-2-آنالیز ابعادی.. 42

3-3-3-اصول تشابه سازی.. 43

3-4-طرح و ساخت مدل. 45

3-4-1-مقیاس مدل. 45

3-4-2-اجزاء مدل. 46

3-4-3-آب بندی مدل. 52

3-4-4-تقویت نمودن مدل. 52

3-5-ابزارهای اندازه گیری.. 52

3-5-1-اندازه گیری فشار. 53

3-5-2-اندازه‌گیری دبی جریان. 54

3-5-3-اندازه‌گیری ارتفاع آب مخزن. 56

3-5-4-اندازه‌گیری سرعت هوا 56

3-5-5-خطاهای اندازهگیری در مدل. 57

3-6-شرحی بر مدل عددی.. 59

3-6-1-دینامیک سیالات محاسباتی.. 59

3-6-2-معرفی نرم افزار. 60

3-6-3-مراحل شبیه سازی جریان در تخلیه کننده تحتانی در نرم افزار FLOW-3D.. 61

فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها

4-1-مقدمه 67

4-2-كارهای آزمایشگاهی و نتایج حاصله. 67

4-2-1-نحوه انجام آزمایشات... 67

4-2-2-بررسی نتایج حاصل از آزمایشات... 69

4-2-3- مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی.. 80

فصل پنجم: جمع بندی و ارائه پیشنهادات

5-1-مقدمه. 85

5-2-جمع بندی نتایج.. 85

5-2-1-نتایج آزمایشگاهی.. 85

5-2-2-نتایج عددی.. 89

5-2-3- ارائه پیشنهادات... 90

فهرست مراجع. 109

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                              صفحه

شکل(1-1) تخلیه کننده تحتانی در یک سد خاکی.. 5

شکل(1-2) دریچه کشوئی تحتانی.. 6

شکل(1-3) جریان در لوله ونتوری و تعریف اندیس کاویتاسیون.. 9

شكل(2-1) پارامترهای مؤثر در آزمایش دریچه. 14

شكل(2-2) پروفیل جریان خروجی از دریچه. 15

شكل(2-3) پروفیل بدون بعد جریان خروجی از دریچه. 15

شکل(2-4) نمایی از تبدیل در آزمایش سوامی.. 16

شکل(2-5) نمودار تغییرات ضریب C برای دریچه روی سرریز. 20

شکل(3-1) نمایی از مخزن تامین هد.. 47

شکل(3-2) نمایی از دهانه زنگولهای.. 47

شکل(3-3) نمایی از بالادست دریچه اضطراری.. 48

شکل(3-4) نمایی از مقطع مجرا شامل شیار و مجرای پایین دست دریچه اضطراری.. 49

شکل(3-5) نمایی از دریچه اضطراری و سرویس(مقطع و پلان). 50

شکل(3-6) تونل انتقال.. 51

شکل(3-7) نمایی از تونل انتقال.. 51

شکل (3-8) توزیع مکانی  پیزومترها در مجرای مدل و دریچه ها ... ........................ 68

شکل(3-9) نمائی از تابلو قرائت فشارها 53

شکل(3-10) نمایی از لیمینیمتر جهت اندازهگیری تغییرات سطح آب روی سرریز. 55

شکل(3-11) نمایی از سرریز لبه تیز مستطیلی و Point Gage مربوطه. 55

شکل(3-12) تصویر کانال آرام کننده جریان به همراه لمینیمتر(دستگاه اندازه گیری عمق آب). 56

شکل(3-13) سرعت سنج (Hot Wire) استفاده شده در اندازه گیری سرعت هوا 57

شکل(3-14) نمایش قسمت Model Setup.. Error! Bookmark not defined.

شکل(3-15) تعیین فیزیک مسئله توسط نرمافزار. Error! Bookmark not defined.

شکل(3-16) انتخاب سیال.. Error! Bookmark not defined.

شکل(3-16) نمایش تعداد و محل بلوکهای مشبندی شده و شرایط مرزی آنها 61

شکل(3-17) نمای سه بعدی از مدل فیزیكی.. 62

شکل(3-18) محل اولیه سیال قبل شروع آنالیز. 63

شکل(4-1) تغییرات ضریب آبگذری در هدهای مختلف.... 70

شکل(4-2) تغییرات ضریب آبگذری در هدهای مختلف.... 70

شکل(4-3) تغییرات میزان آبگذری در هدهای مختلف.... 71

شکل(4-4) تغییرات میزان آبگذری در هدهای مختلف.... 71

شکل(4-5) تغییرات عدد فرود به ازای هدهای مختلف.... 72

شکل(4-6) تغییرات عدد فرود به ازای هدهای مختلف.... 72

شکل(4-7) تغییرات ضریب هوادهی در هدهای مختلف.... 73

شکل(4-8) تغییرات ضریب هوادهی در بازشدگی های مختلف در عملکرد توام. 74

شکل(4-9) تغییرات دبی هوای ورودی به لوله هواده. 74

شکل(4-10) تغییرات دبی هوای ورودی به لوله هواده در حالت توام. 75

شکل(4-11) تغییرات دبی هوادهی نسبت به بازشدگی‌های مختلف دریچه اضطراری سد.. 76

شکل(4-12) توزیع فشاروارد بر كف مجرا در هدcm 670. 77

شکل(4-13) توزیع فشاروارد بر دیواره سمت راست مجرا در هد cm 670. 78

شکل(4-14) توزیع فشاروارد بر دیواره سمت راست مجرا در هد cm 670. 79

فهرست جداول

عنوان                                                                                                              صفحه

جدول(2-1) ضرایب افت زانوها ..... 22

جدول(2-2) معرفی ضرایب افت تبدیلهای واگرا به ازاء زوایای مختلف واگرائی.. 23

جدول(3-1) مشخصات تخلیه کننده تحتانی سدنرماشیر. 39

جدول(3-2) نیروها و معادلات ابعادی آنها 41

جدول(3-3) پارامترهای بی بعد مورد استفاده در مدلهای فیزیکی.. 42

جدول(3-4) توزیع مكانی پیزومترها و معرفی موقعیت مكانی آنها 54

جدول(5-1) مقادیر اندیس كاویتاسیون درمحدوده بحرانی شیار دریچه سرویس در عملكرد 100% دریچه‌ها 86

جدول(5-2) مقادیر اندیس كاویتاسیون درمحدوده بحرانی شیاردریچه اضطراری درعملكرد 100% دریچه‌ها 86