شبیه سازی عددی پدیده‌ی کاویتاسیون در سرریز پلکانی به کمک نرم افزار Fluent

کریمی پیرموسائی, فریده; مردوخ پور, علیرضا

doi:10.22091/cer.2021.6104.1216

شبیه سازی عددی پدیده‌ی کاویتاسیون در سرریز پلکانی به کمک نرم افزار Fluent

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ کارشناس ارشد گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان، لاهیجان، ایران.

² استادیار گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان، لاهیجان، ایران.

10.22091/cer.2021.6104.1216

چکیده

در مطالعه‌ی حاضر به بررسی تأثیر انواع مدل‌های آشفتگی و پدیده کاویتاسیون در سرریز پلکانی سد سیاه بیشه با نرم‌افزار Fluent پرداخته شده است. سه مدل آشفتگی ε-K با مدل‌های استاندارد و RNG و ω-K و سه دبی (دبی حداقل و حداکثر به ترتیب معادل 150 و 170 مترمکعب بر ثانیه و دبی سیلاب معادل 203 مترمکعب بر ثانیه) در نظر گرفته شدند. اعتبار سنجی روش عددی با شبیه‌سازی یک سرریز آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت و تطابق مناسبی مشاهده شد. نتایج نشان داد که در سرریز سد سیاه بیشه با دبی 203 مترمکعب بر ثانیه در ناحیه‌ی پایین دست سرریز پلکانی، احتمال وقوع پدیده کاویتاسیون محتمل‌تر است. از این رو می‌توان در مکان‌های مناسب، از سیستم هوادهی مناسب استفاده کرد تا با کاهش سرعت در نواحی مورد نظر، احتمال وقوع کاویتاسیون کاهش یابد. همچنین با تغییر در نوع مدل آشفتگی، شاخص کاویتاسیون در هر نقطه از سرریز دچار تغییر می‌شود، بنابراین انتخاب مدل آشفتگی به منظور بررسی کاویتاسیون از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به طوریکه به عنوان مثال مقدار بیشینه سرعت ایجاد شده در مدل‌های مورد بررسی با دبی 150 مترمکعب بر ثانیه برای مدل آشفتگی ε-K با مدل‌ استاندارد برابر 1.34 متر بر ثانیه، برای مدل آشفتگی K-ε و مدل RNG برابر 2.32 متر بر ثانیه و برای مدل آشفتگی K-ω برابر 1.32 متر بر ثانیه شد. مدل‌های K-ε استاندارد و K-ω در تمامی دبی‌ها بسیار نزدیک به هم بوده و استفاده از مدل آشفتگی K-ε و مدل RNG نسبت به دو مدل دیگر تفاوت داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

روش‌های عددی و آزمایشگاهی

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Cavitation Phenomenon in the Stepped Spillway with Fluent Software

نویسندگان [English]

Farideh Karimi Pirmoosaei ¹
Alireza Mardookhpour ²

¹ M.Sc of Civil Engineering Department, Lahijan Branch, Islamic Azad University, Lahijan, Iran.

² Civil Engineering Department,Engineering Faculty,Islamic Azad University of Lahijan,Lahijan,Iran

چکیده [English]

In the present research, the effects of different turbulence models and cavitation phenomenon in the stepped spillway of Siah Bisheh dam was investigated using the FLUENT model. Three standard K-Epsilon, Renormalization Group (RNG) K-Epsilon, and K-Omega turbulence models were employed for minimum, maximum, and flood discharge flows of 150, 170, and 203 cm3/s, respectively. The numerical method was validated by simulating a laboratory spillway, by which an appropriate consistency was observed. Also, the results showed that the probability of the cavitation phenomenon was more likely for a discharge flow of 203 cm3/s downstream of the stepped spillway area of the Siah Bisheh dam. Therefore, an appropriate aeration system can be utilized in suitable locations to reduce the probability of cavitation by decreasing velocity in the desired areas. Moreover, the cavitation index changed at each point of the spillway by changing the turbulence model type. Therefore, choosing the turbulence model to investigate the cavitation is of great importance. For example, the maximum velocities created in the investigated models with a discharge flow of 150 cm3/s for standard K-Epsilon, RNG K-Epsilon, and K-Omega turbulence models were 1.34, 2.32, and 1.32 m/s, respectively. The standard K-Epsilon and K-Omega models were very similar in all discharge flows and the results of the RNG K-Epsilon turbulence model were different from the other two models.

کلیدواژه‌ها [English]

Cavitation phenomenon
Turbulence Models
stepped spillway
Siah bisheh Spillway

مراجع

[1] Chanson, H. (2010). The Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways, Balkema, Lisse, ISBN 9058093522 (hard back).
[2] Shoja, F., Nikpour, M. R., & Sadeghi, H. (2013). “Determination of Energy Dissipation in stepped spillways Using Finite Element and Finite Volume Methods”, Journal of Civil Engineering and Urbanism, 3(4), 150-155.
[3] Bombardelli, F. A., Meireles, I., & Matos, J. (2011). “Laboratory measurements and multi-block numerical simulations of the mean flow and turbulence in the non-aerated skimming flow region of steep stepped spill-ways”, Environmental Fluid Mechanics, 11(3), 263-288.
[4] Asadsangabi, F., Talebbeydokhti, N., & Rahnavard, M. (2014). “Two phase flow modeling in shaft spillways using volume of fluid (VOF) method. IJST”, Transactions of Civil Engineering, 38(C1), 99-109.
[5] Carvalho, R. F., & Martins, R. (2009). “Stepped spillway with hydraulic jumps: Application of a numerical model to a scale model of a conceptual prototype”, J. Hydraul Eng, 135(7), 615-619.
[6] Felder, S., & Chanson, H. (2016). “Simple design criterion for residual energy on embankment dam stepped spillways”, Journal of Hydraulic Engineering, 142(4), 04015062.
[7] Frizell, K. W., Renna, F. M., & Matos, J. (2013). “Cavitation potential of flow on stepped spillways”, Journal of Hydraulic Engineering, 139(6), 630-636.
[8] Pagliara, S., & Palermo, M. (2013). “Rock Grade Control Structures and Stepped Gabion Weirs: Scour Anal-ysis and Flow Features”, Acta Geophysical. J, 61(1), 126-150.
[9] Nikseresht, A. H., Talebbeydokhti, N., & Rezaei, M. J. (2013). “Numerical simulation of two-phase flow on step-pool spillways”, Journal of Sharif University of Technology, 20(2), 1026-3098.
[10] Parsaie, A., Dehdar Behbahani, S., & Haghiabi, A. H. (2016). “Numerical modeling of cavitation on spill-way’s flip bucket”, Frontiers of Structural and Civil Engineering, 10(4), 438-444.
[11] Zamani, K. H., & Mousavi, S. M. (2016), “Numerical study of the probability of cavitation in the peak overflow of Seymareh dam”, First National Conference on Applied Research in Civil Engineering (Structural Engineering and Construction Management).
[12] Ansari, M., & Esmaeilpour, M. (2017). “Comparison of two-fluid models and fluid volume in numerical simulation of two-phase flow of stepped spillways in aerated and non-aerated conditions”, Mechanical Engi-neering Instructor, 255-265.
[13] Ranjbar, M, & Ghadampour, Z. (2017). “Investigation of the possibility of cavitation in serrated stepped overflow”, Second National Conference on Civil Engineering and Sustainable Development.
[14] Wan, W., Liu, B., & Raza, A. (2018). “Numerical prediction and risk analysis of hydraulic cavitation dam-age in a high-speed-flow spillway”, Shock and Vibration, https://doi.org/10.1155/2018/1817307.
[15] FLUENT INC. (2006). FLUENT 6.3. Users and Tutorial Guide Manual, Lebanon, USA