توصيفگر ها :
پرش هيدروليكي , نرم‌افزار Flow-3D , معادله تحليلي , پروفيل سرعت , افت نسبي انرژي , طول غلتاب , طول پرش هيدروليكي
چكيده فارسي :
درصورتي كه رژيم جريان از فوق‌بحراني به زيربحراني تغيير حالت دهد، عمق جريان در مسيري كوتاه به شدت افزايش مي‌يابد. در نهايت به‌دليل آشفتگي در سطح آب افت انرژي محسوس صورت گرفته و از مقدار سرعت نيز به مقدار قابل ملاحظه‌اي كاسته مي‌شود. اين پديده كه به پرش آبي موسوم از نوع جريان‌هاي متغير سريع است كه از ابتدا تا انتهاي آن تلاطم و پيچش سطحي آب وجود دارد و به عنوان پديده اتلاف كننده انرژي شناخته مي‌شود. هرچند مطالعاتي در زمينه پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر روي خصوصيات پرش هيدروليكي وجود دارد، اما مطالعات منتشرشده‌اي در زمينه كاربرد همزمان هر سه مورد مذكور وجود ندارد. لذا در اين پژوهش اثر همزمان پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر بر خصوصيات پرش با استفاده از شبيهسازي عددي با نرم‌افزار Flow-3D صورت گرفت. همچنين يك رابطه تحليلي براي محاسبه نسبت اعماق مزدوج به كمك رابطه مومنتوم استخراج شد. در اين پژوهش از مدل‌هاي آشفتگي RNG و k-ε استفاده شد. همچنين، از دو نوع شبكه‌بندي استفاده شد. در شبكه‌بندي نوع اول، در تمام راستاها اندازه سلول‌ها يكنواخت بود. ولي در شبكه‌بندي نوع دوم، در جهت جريان (x) و عمق جريان (z) اندازه سلول‌ها غير يكنواخت در نظر گرفته شد. با توجه به نتايج مدل‌سازي عددي، مدل آشفتگي RNG آشفتگي ميدان جريان را در مقايسه با مدل آشفتگي K-ε با دقت بيشتري محاسبه نمود. ميزان شاخص‌هاي آماري NRMSE، R2 و d براي نتايج شبيهسازي عددي نيمرخ سطح آب به ترتيب 1/10، 993/0 و 994/0 به‌دست آمد. همچنين مقدار اين شاخص‌ها براي نتايج شبيهسازي نيمرخ سرعت به ترتيب 36/16، 944/0 و 97/0 محاسبه شدند. بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه تطابق مناسبي بين نتايج آزمايشگاهي و شبيهسازي عددي وجود داشته است. بنابراين نرم‌افزار Flow-3D توانايي خوبي را براي شبيهسازي پرش هيدروليكي در شرايط مختلف دارا است. خطاي مدل عددي در محاسبه مقادير نيمرخ سرعت در مقايسه با نيمرخ سطح آب بيشتر بود، كه علت آن را مي‌توان در تلاطم شديد جريان و نوسانات سرعت لحظه‌اي در هر راستاي قائم در محدوده وقوع پرش هيدروليكي و تشديد اختلاط آب و هوا دانست. مقايسه نتايج حاصل از شبيهسازي با نتايج آزمايشگاهي پروفيل سطح آب، پروفيل سرعت، نسبت اعماق مزدوج، طول غلتاب و طول پرش هيدروليكي و نسبت افت انرژي نشان دهنده قابليت مدل عددي در شبيهسازي سه بعدي ميدان جريان پرش هيدروليكي آزاد مي‌باشد. همچنين نتايج شبيهسازي تأثير كاربرد همزمان پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر بر كاهش درصد اعماق ثانويه نشان داد، بيشترين كاهش مربوط به ارتفاع پله منفي ابتدايي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ مي‌باشد كه برابر 19/28٪ بود. به طور متوسط تركيب پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر، 5/32 درصد طول نسبي پرش را كاهش مي‌دهد. كه بيشترين كاهش مربوط به ارتفاع پله منفي ابتدايي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ مي‌باشد. همچنين وجود پله منفي ابتدايي، شيب معكوس و زبري بستر باعث افزايش افت نسبي انرژي در مقايسه با حالت كلاسيك شده است. افت انرژي در ارتفاع پله منفي 3 سانتي‌متر، زبري 2 سانتي‌متر و شيب معكوس 3-٪ بيشترين افزايش را داشته و مقدار آن 4/27٪ مي‌باشد.
چكيده انگليسي :
depending on the conditions of the channel, the flow regime changes from supercritical to subcritical, a hydraulic jump is formed, which is known as an energy-dissipating phenomenon. Although there are studies on the initial negative step, reverse slope and bed roughness on hydraulic jump characteristics, there are no published studies on the simultaneous application of all three. Therefore, in this research, the simultaneous effect of initial negative step, reverse slope and bed roughness on jumping characteristics were done using numerical simulation with Flow-3D software. Also, an analytical relation was extracted to calculate the conjugate depth ratio using the momentum relation. RNG and k-ε disturbance models were used in this research. According to the numerical modeling results, the RNG turbulence model calculated the turbulence of the flow field more accurately compared to the K-ε turbulence model. The statistical indices of NRMSE, R2 and d for the numerical simulation results of the water surface profile were obtained as 10.1, 0.993 and 0.994 respectively. Also, the values of these indices were calculated for the speed profile simulation results, respectively 16.36, 0.944 and 0.97. Therefore, it can be concluded that there has been a good match between the laboratory results and the numerical simulation. Also, the simulation results showed the effect of the simultaneous application of the initial negative step, reverse slope and roughness of the bed on the reduction of the percentage of secondary depths, the biggest decrease is related to the initial negative step height of 3 cm, roughness of 2 cm and reverse slope of -3%, which is equal to 28.19%. Was. On average, the combination of initial negative step, reverse slope and bed roughness reduces the relative jump length by 32.5%. The biggest decrease is related to the initial negative step height of 3 cm, roughness of 2 cm and reverse slope of -3%. Also, the presence of the initial negative step, reverse slope and bed roughness has increased the relative loss of energy compared to the classic case. The energy loss in step height of negative 3 cm, roughness of 2 cm and reverse slope of -3% has increased the most and its value is 27.4%.
