بررسی اثر تغییر طول سرریز جانبی واقع در کانال های U شکل بر سطح آزاد و الگوی جریان با استفاده از شبیه‌سازی عددی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی عمران آب، مرکز تحقیقات آب و فاضلاب، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

2 استادیار گروه مهندسی آب، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

چکیده

کانال­ های U شکل به همراه سرریز­های جانبی به‌عنوان مقطع مبدل کانال­ های مستطیلی به دایره­ای دریچه ­های آدم­رو (Manhole) در شبکه­های دفع فاضلاب شهری مورد استفاده مهندسان علم هیدرولیک قرار می­گیرند. در تحقیق حاضر، آشفتگی میدان جریان و تغییرات سطح آزاد واقع در کانال­های U شکل دارای سرریز جانبی با استفاده از مدل آشفتگی RNG k-ε و طرح VOF شبیه­سازی شده است. مقایسۀ بین نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می­دهد که مدل عددی تغییرات سطح آزاد جریان، ضریب دبی، انرژی مخصوص و مقادیر مختلف دبی گذرنده از روی سرریز جانبی با طول­ های مختلف را با دقت مناسبی شبیه­ سازی می­کند. اثر تغییر طول سرریز جانبی بر سطح آزاد و الگوی جریان واقع در کانال­ های U شکل نیز بررسی شده است. در بالادست سرریز جانبی تغییرات سطح آزاد جریان برای سرریز کوتاه­تر ناچیز و اثر آن قابل چشم ­پوشی است. برای سرریزهای جانبی با طول مختلف، مقدار سرعت عرضی از ابتدای سرریز تا وسط دهانۀ سرریز در حال افزایش است و با پیشروی به سوی انتهای پایین ­دست سرریز جانبی این سرعت با کاهش روبه­ رو م ی­شود. با افزایش طول سرریز جانبی، مقدار حداقل زاویۀ ریزشی جت جریان کاهش می­یابد. برای کانال­ های دارای سرریز جانبی با طول متفاوت، جریان ثانویۀ بعد از سرریز جانبی به ­وجود می­آید که سلول جریان ثانویه مذکور با پیشروی به سمت پایین ­دست کانال اصلی توسعه می­یابد. اختلاف انرژی مخصوص در بالادست و پایین­ دست سرریز جانبی برای سرریزهای جانبی کوتاه و بلند به­ ترتیب 18/1 و 94/2 درصد محاسبه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of Length Variation of Side Weir Located on U-Shape Channel on Free Surface and Flow Pattern

نویسندگان [English]

  • hamed azimi 1
  • saeid shabanlou 2
1 Department of civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran- Water and Wastewater Research Center, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Department of Water Engineering, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

In practice, U-shaped channels are used in urban sewer networks. Also, most of aqueducts in Iran are made of U-shaped channels. In this study the flow field turbulence and free surface variations within the
U-shaped channels along a side weir are simulated using the FLOW-3D and RNG  turbulence models and the volume of fluid (VOF) scheme, respectively. Comparison between the experimental and numerical results shows that the numerical model predicts the flow field characteristic with reasonable accuracy. Then, the effects of the side weir length change on the free surface and the flow pattern in U-shaped channels are investigated. According to the simulation results, the free surface variations are not significant at the side weir upstream and, so the side weir effects could be ignored. For the L/D=3 case, before the side weir, the free surface flow is affected by the weir and a height difference is observed in all longitudinal profiles. Also, a surface jump occurs for both L/D=2 and L/D=3 cases in the downstream end of the side weir. According to the simulation results, a secondary flow is created after the side weir so that the cell of this secondary flow develops by proceeding to the main channel downstream. The specific energy variation in the upstream and the downstream of the side weir for L/D=2 case is computed to be about 1.18% in average.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Field
  • Specific Energy
  • Turbulence Flow
  • Velocity Field

 

Aydin, M. C. 2012. CFD simulation of free-surface flow over triangular labyrinth side weir. Adv. Eng. Software. 45(1): 159-166.

 

Aydin, M. C. and Emiroglu, M. E. 2013. Determination of capacity of labyrinth side weir by CFD. Flow Meas. Instrum. 29(1): 1-8.

 

Azimi, H., Shabanlou, S. and Salimi, M. S. 2014. Free surface and velocity field in a circular channel along the side weir in supercritical flow conditions. Flow Meas. Instrum. 38(1): 108-115.

 

Bagheri, S. and Heidarpour, M. 2012. Characteristics of flow over rectangular sharp-crested side weirs. J. Irrig. Drain. Eng. 138(6): 541-547.

 

Borghei, S. M., Jalili, M. R. and Ghodsian, M. 1999. Discharge coefficient for sharp crested side-weirs in subcritical flow. J. Hydraul. Div. 125(10): 1051-1056.

 

De Marchi, G. 1934. Saggio di teoria del funzionamento degli stramazzi laterali. Energia Elettrica. 11(11): 849-860. (in Italian)

 

El-Khashab, A. and Smith, K. V. H. 1976. Experimental investigation of flow over side weirs. J. Hydraul. Div. 102(9): 1255-1268.

 

Emiroglu, M. E., Agaccioglu, H. and Kaya, N. 2011. Discharging capacity of rectangular side weirs in straight open channels. Flow Meas. Instrum. 22(4): 319-330.

 

Hager, W. H., Hager, K. and Weyermann, H. 1983. Die hydraulische Berechnung von Streichwehren in Entlastungsbauwerken der kanalis ationstechnik. Gas-Wasser-Abwasser, 63, 309-329. (in German)

 

Novak, G., Kozelj, D., Steinman, F. and Bajcar, T. 2013. Study of flow at side weir in narrow flume using visualization techniques. Flow Meas. Instrum. 29(1): 45-51.

 

Qu, J. 2005. Three dimensional turbulence modeling for free surface flows. Ph. D. Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

 

Tadayon, R. 2009. Modeling curvilinear flows in hydraulic structures. Ph. D. Thesis, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

 

Uyumaz, A. 1997. Side weir in U-shaped channels. J. Hydraul. Eng. 123(7): 639-646.

 

Uyumaz, A. and Muslu, Y. 1985. Flow over side weirs in circular channels. J. Hydraul. Eng. 111(1):
144-160.

 

Vatankhah, A. R. 2013. Water surface profiles along a rectangular side weir in a U-shaped channel. J. Hydrol. Eng. 18(5): 595–602.

 

Vatankhah, A. R. and Bijankhan, M. 2009. Discussion of ‘method of solution of non-uniform flow with the presence of rectangular side weir. J. Irrig. Drain. Eng. 135(6): 812-814.

 

Venutelli, M. 2008. Method of solution of nonuniform flow with the presence of rectangular side weir. J. Irrig. Drain. Eng.134(6): 840-846.

 

Yüksel, E. 2004. Effect of specific energy variation on lateral overflows. Flow Meas. Instrum. 15(5-6): 259-269.