بررسی عددی تأثیر هندسه لبه پله بر رفتار هیدرودینامیکی جریان در سرریزهای پلکانی با استفاده از FLOW-3D

چکیده مقاله

هدف: هدف این پژوهش، بررسی عددی تأثیر سه هندسه مختلف لبه پله ساده، مدور و مشبک بر رفتار هیدرودینامیکی جریان و میزان استهلاک انرژی در یک سرریز پلکانی با ده پله است. به‌علاوه برای ارزیابی استهلاک انرژی، پروفیل‌های سرعت و نوسانات فشارِ مرتبط با هر طراحی لبه انجام شده است تا هندسه بهینه برای پایداری جریان شناسایی شود. مواد و روش‌ها: از شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی در نرم‌افزار FLOW-3D با استفاده از روش حجم سیال (VOF) و مدل آشفتگی (RNG) k-ε بهره گرفته شد. شبیه‌سازی‌ها برای دبی 09/0 مترمکعب بر ثانیه انجام و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی گردید که میانگین خطای مطلق (MAPE) بین ۵ تا ۸ درصد را نشان داد. نتایج: سرریز لبه‌دار مشبک با کاهش ۱۵ تا ۲۰ درصدی سرعت جریان نسبت به لبه ساده، بیشترین استهلاک انرژی را ایجاد می‌کند. با وجود اینکه میزان فشار مثبت در وجه افقی پله‌های لبه‌دار مشبک نسبت به سرریز پلکانی لبه‌دار ساده 4/16 درصد افزایش یافته است ولی سرریزهای دارای لبه ساده و مدور رفتار پایدارتری در برابر فشارهای منفی در وجه قائم پله‌ها از خود نشان می‌دهند و برای شرایطی که پایداری جریان و جلوگیری از خستگی سازه یا خطر پدیده کاویتاسیون در اولویت است، گزینه‌های ایمن‌تری محسوب می‌شوند. نتیجه‌گیری: گرچه سرریز لبه‌مشبک بالاترین نرخ استهلاک انرژی را دارد، به دلیل ایجاد نوسانات شدید که ریسک کاویتاسیون و خستگی سازه را افزایش می‌دهد گزینه مطلوبی نیست. سرریز پلکانی لبه ساده به دلیل عملکرد هیدرودینامیکی مناسب، پایداری جریان، سادگی ساخت و هزینه کمتر به عنوان گزینه عملی بهینه پیشنهاد می‌شود.