شماره ركورد
25984
شماره راهنما
CIV2 248
عنوان
مطالعه مشخصات هيدروليكي حوضچههاي استغراق و بررسي تاثير آنها بر فشار هيدروديناميكي در بستر
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران- مهندسي و مديريت منابع آب
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
1405/02/08
صفحه شمار
112 ص .
استاد راهنما
احمد شانه ساز زاده
استاد مشاور
دكتر رضا فتاحي آلكوهي
كليدواژه فارسي
حوضچه استغراق , جريان آشفته , جت ريزشي , فشارهاي ديناميكي , شبيه سازي عددي , مدل آزمايشگاهي
چكيده فارسي
سدها سازههاي مهمي براي كنترل سيلاب هستند كه با كاهش دبي اوج و تأخير در رسيدن سيل، خطرات انساني و اقتصادي را كم ميكنند. هنگام افزايش حجم سيلاب بيش از ظرفيت سد، آب اضافي از طريق سرريزها تخليه ميشود. اين جريان به صورت جتهاي ريزشي با انرژي جنبشي زياد وارد پاييندست شده و براي جلوگيري از آبشستگي و آسيب به سد، از حوضچههاي استغراق جهت استهلاك انرژي استفاده ميشود.
با ورود هوا و ايجاد جريان آشفته در جت و حوضچه، نوسانات سرعت و فشار به وجود ميآيد كه ميتواند باعث پديدههايي مانند آبشستگي بستر، ايجاد نيروي بالابرنده در دالهاي كف، خستگي مصالح، و حتي كاويتاسيون شود. اين نوسانات در بلندمدت ممكن است موجب ايجاد حفره، گسترش تركها، ناپايداري فونداسيون و در نهايت تخريب سازه گردد، بهويژه اگر فركانس نوسانات با فركانس طبيعي سازه همزمان شود.
طراحي حوضچههاي استغراق معمولاً بر اساس روابط تجربي و آزمايشگاهي انجام ميشود كه بيشتر براي بسترهاي دانهاي كاربرد دارند و براي بسترهاي سنگي و بتني دقت كافي ندارند. همچنين در بسياري از مطالعات گذشته، ارتباط مستقيم نوسانات فشار با ويژگيهاي جت و جريان داخل حوضچه كمتر بررسي شده است. بنابراين اين پژوهش با بررسي ويژگيهاي جت ريزشي و جريان داخل حوضچه، به دنبال درك بهتر تأثير مشخصات هندسي و هيدروليكي جريان بر توزيع فشار در بستر و درون درزهها است.
در اين پژوهش با ساخت مدل آزمايشگاهي مشخصات فشار هيدرودينامكي در نقطه ايستائي برخورد جت با بستر در سرعت هاي مختلف جت و طول هاي مختلف جت ريزشي دايره اي بررسي و تحليل شد. در اين پژوهش همچنين دو مدل عددي، يكي از جت ريزشي تا سطح آب و ديگري از محل سطح آب تا درون حوضچه با استفاده از نرم افزار FLOW3D به روش حل عددي LES به صورت سه بعدي توسعه داده شد. مدل عددي جت ريزشي دوفازي و مدل عددي حوضچه استغراق تك فازي است.
اعتبارسنجي نتايج مدل عددي جت ريزشي در هوا با استفاده از داده هاي آزمايشگاهي نشان مي دهد مدل عددي در محاسبات متوسط فشار جريان در بستر در نقطه ايستايي با خطاي محاسباتي ميانگين 16درصد عملكرد قابل قبولي دارد. اما اگر عملكرد مدل باجزئيات بيشتر بررسي شود، در سرعت هاي بالا در فواصل بيشتر از( 6/8 =L/D)خطاها بيشتر مي شود كه اين نشان دهنده اين است مدل شكست جت را نمي تواند به خوبي شبيه سازي كند. مدل عددي با خطاي ميانگين 63/34 درصد نمي تواند نوسانات فشار جت ريزشي در هوا را به خوبي پيش بيني كند. مقايسه نتايج مدل عددي حوضچه استغراق با داده هاي مدل آزمايشگاهي فتاحي(1402) نشان مي دهد مقدار متوسط فشار هيدروديناميكي در نقطه ايستائي در بستر با ميانگين خطاي 25/9 درصد بخوبي تخمين زده مي شود. اين خطا با افزايش عدد فرود حوضچه (Frp) از مقدار 21/6درصد به 04/12درصد افزايش مي يابد. مقدار خطاي محاسبه نوسانات فشار در بستر حوضچه 85/29درصداست كه از 98/20درصد در سرعت 33/4متر برثانيه تا 23/41درصد در سرعت 27/3متر برثانيه تغيير مي كند .
نتايج مدل آزمايشگاهي نشان ميدهد كه با افزايش طول سقوط جت، شدت آشفتگي، نوسانات فشار و افت انرژي افزايش مييابد. در نسبتهاي فاصله از نازل به قطر (L/D) بيشتر از 8، شيب تغييرات كاهش مي يابد. در سرعتهاي بالاي جت روند افزايش نوسانات فشار و ضريب فشار ديناميكي كاهشي است حال آنكه در سرعتهاي پايين خروج جريان از نازل، روند تغييرات سرعت جت در طول سقوط به دليل پخششدگي ناچيز افزايشي است. بررسي هيدروليك حوضچه در مدل عددي نشان داد در اعداد فرود پايين، گردابهها كامل تشكيل شده و پخشيدگي جريان و آشفتگي و افت فشار در بستر بيشتر است. نتايج مدل عددي نشان مي دهد، در مقادير كم فرود حوضچه، سرعت جت در محور مركزي به تدريج كاهش مي يابد و در بستر به صفر مي رسد. به طور معكوس در اعداد فرود بالا اين كاهش ناگهاني و در نزديك بستر است و جت رفتاري شبيه به جت آزاد عمل داشته تاثير فشار در نقطه ايستايي بيشتر است و پخشيدگي جانبي و آشفتگي جريان كمتر است. در اين حالت، اختلاف بين فشار بيشينه و متوسط در بستر افزايش مييابد.
كليدواژه لاتين
Plunge pool , Turbulent flow , Free jet , Dynamic pressures , Numerical modelling , Laboratory Model
عنوان لاتين
Study on the Hydraulic Characteristics of plunge pools and its effects on hydrodynamic pressures at the bed
گروه آموزشي
مهندسي عمران
چكيده لاتين
Dams are important structures for flood control, reducing human and economic risks by decreasing peak discharge and delaying the arrival time of floods. When the flood volume exceeds the storage capacity of a dam, the excess water is released through spillways. This flow enters the downstream as high‑energy falling jets. To prevent scour and potential damage to the dam, stilling plunge pools are commonly used to dissipate the jet energy.
Air entrainment and the development of turbulent flow within the jet and the stilling plunge pool lead to fluctuations in velocity and pressure. These fluctuations may cause phenomena such as bed scour, uplift forces on floor slabs, material fatigue, and even cavitation. Over time, these effects can create small and large cavities downstream of the structure, leading to crack propagation, foundation instability, and eventually structural failure, particularly when the dominant frequency of pressure fluctuations coincides with the natural frequency of the structure.
The design of stilling plunge pools is generally based on empirical and laboratory relationships, which are mostly applicable to granular beds and are less accurate for rock or concrete beds. Moreover, many previous studies have mainly related pressure fluctuations in cracks and joints or scour depth directly to the characteristics of the falling jet and plunge pool depth using empirical relations, while the influence of jet velocity and pressure characteristics, as well as vortex distribution within the plunge pool, has received less attention. Therefore, this study investigates the characteristics of the falling jet and the flow inside the stilling plunge pool to achieve a better understanding of how geometric and hydraulic flow parameters affect pressure distribution in the bed and within joints.
In this study, an experimental model was constructed to analyze the hydrodynamic pressure characteristics at the stagnation point where the jet impacts the bed, under different jet velocities and different lengths of circular plunging jets. In addition, two numerical models were developed using the FLOW‑3D software with the three‑dimensional Large Eddy Simulation (LES) approach: one model simulates the falling jet from the nozzle to the water surface, and the other simulates the flow from the water surface into the stilling plunge pool. The falling jet model is a two‑phase flow model, while the stilling plunge pool model is single‑phase.
تعداد فصل ها
6
فهرست مطالب pdf
162341
نويسنده