F(Qs , Qg , H1 , Hd , T , W , g , ρ , μ) = ۰ →
(۳- ۱)
(۳- ۲)
۳-۴ شبیهسازی عددی
به منظور مطالعه و تحلیل جریان در سازههای مختلف، مدلهای فیزیکی و ریاضی مختلف بکار گرفته می شود. با توجه به توسعه سیستمهای کامپیوتری و محاسباتی و همچنین وجود پیچیدگیهای غیر قابل اندازهگیری در جریان عبوری از یک سازه ترکیبی سرریز - دریچه در مدلهای آزمایشگاهی، استفاده از شبیهسازی عددی میتواند در بررسی هیدرولیکی چنین جریانهایی بسیار مؤثر و قابل توجه باشد.
در سالهای اخیر، بدلیل ابداع روشهای پیشرفته و دقیق حل عددی معادلات و بوجود آمدن رایانههای قوی برای انجام محاسبات، میتوان در طراحی این سازههای پیچیده از روشهای حل عددی نیز بهره گرفت. دینامیک سیالات محاسباتی[۲۱]، از روشهای محاسبه و شبیهسازی میدان جریان سیال میباشد که در قرن اخیر مورد توجه خاص مهندسین و طراحان قرار گرفته است.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حاکی از مزایای زیر است:
۱- کاهش در زمان و هزینه در طراحیها
۲- توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آنها دشوار و یا غیر ممکن است مانند تأسیسات بزرگ
۳- توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
از جمله نرمافزارهای موجود در زمینه CFD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
CFX, Phonix, Telemac, FIDAP, Flow3D, Fluent
در این تحقیق، به ارزیابی مدل عددی Flow3D جهت شبیهسازی هیدرولیک جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه و همچنین آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی پرداخته میشود.
۳-۴-۱ معرفی نرمافزار Flow3D
نرمافزار Flow3D یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد که تولید، توسعه و پشتیبانی آن توسط Flow Science, Inc است و یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این مدل برای شبیهسازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیرماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. نرمافزار Flow3D، برای مسائل یکبعدی، دوبعدی و سهبعدی طراحی شده است. در حالت ماندگار، نتایج در زمان بسیار کمی حاصل می شود زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی پایهگذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینهای بکار برده شوند. این نرمافزار یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده می کند.
نرمافزار Flow3D شامل مدلهای فیزیکی مختلف میباشد که عبارتند از: آبهای کمعمق، کاویتاسیون، آشفتگی، آبشستگی، کشش سطحی، پوشش متخلخل ذرات و … . از این مدلها در زمینههای ریختهگری مواد، مهندسی فرایند، طراحی تزریقهای مرکب، تولیدات مصرفی، هیدرولیک مهندسی محیط زیست، هوافضا، علوم دریایی، نفت، گاز و … استفاده می شود.
در جدول (۳-۲)، ویژگیهای نرمافزار به اختصار نمایش داده شده است.
جدول ۳- ۲ معرفی نرمافزار Flow3D
نام نرمافزار | Flow3D |
زمینه کاری | یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد. این نرمافزار برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است. |
قوانین بنیادی | جرم، مومنتوم و بقاء انرژی |
کاربردهای Flow3D در زمینه مهندسی آب | پایه های پل- هوادهی در پرش هیدرولیکی- سرریز دایرهای- هوادهی در سرریزها- شکست سد- پارشال فلوم- آبشستگی- جریان بر روی یک پلکان[۲۲]- جریانهای با عمق کم- جریان در کانالهای کنترل پرش هیدرولیکی- موجهای کمارتفاع[۲۳]- دریچههای کشویی- جریان سرریز |
سطح آزاد | حد فاصل بین گاز و مایع همان سطح آزاد است. در Flow3D سطح آزاد با تکنیک حجم سیال[۲۴] مدل می شود. روش حجم سیال شامل سه جزء است: نمایش موقعیت سطح – شبکهبندی– شرایط مرزی سطح |
تکنیک محاسبات | Finite Difference - FiniteVolume |
سیستمهای مختصات | معادلات دیفرانسیلی که باید حل شود در قالب مختصات کارتزین (x,y,z) نوشته می شود. برای مختصات استوانهای (z,Ɵ,r) مختصات x به صورت شعاعی و مختصات y به صورت مختصات زاویهای |