نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی اب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز

2 دانشگاه شهید مدنی تبریز

3 دانشگاه تبریز

چکیده

سرریز‌های کنگره‌ای از سازه‌های هیدرولیکی هستند که برای تنظیم سطح آب و کنترل جریان در مخازن سدها، کانال‌ها و رودخانه‌ها استفاده می‌شوند. دبی جریان در سرریز‌ها به‌طور مستقیم با طول تاج سرریز متناسب است، در صورتی که عرض کانال یا مخزنی که سرریز روی آن اجرا می‌شود محدود باشد، یکی از راهکار‌های افزایش ظرفیت، افزایش طول تاج سرریز با زیگزاگ کردن سرریز در پلان است. در این پژوهش عملکرد سرریز کنگره‌ای با مقطع ذوزنقه‌ای،‌ با زوایای مختلف دیواره سرریز (α) مورد بررسی قرار گرفت. هندسه سرریزها در محیط نرم افزار Inventor ایجاد و با فراخوانی در نرم افزار Flow3D، شبیه‌سازی انجام شد. به‌منظور صحت‌سنجی شبیه‌سازی و تنظیم پارامترهای نرم‌افزار، از داده‌های آزمایشگاهی معتبر استفاده شد که نتایج مدل هماهنگی مناسبی با نتایج داده‌های آزمایشگاهی داشت. تحلیل نتایج نشان داد که افزایش زاویه سرریز در امتداد جریان و در طول دماغه ثابت، سبب افزایش ضریب دبی جریان (cd) می‌شود. رابطه معکوس بین مقدار بار هیدرولیکی نسبی جریان (h/p)، و ضریب دبی جریان نیز مشخص شد. ‌با افزایش طول دماغه به مقدار 40 درصد، روند افزایش ضریب دبی به واسطه افزایش زاویه سرریز، به میزان 9 درصد کاهش یافت. افزایش 15درجه‌ای زاویه نیز، روند افزایش ضریب دبی به واسطه افزایش طول دماغه را 5 درصد کاهش داد. با توجه به رابطه مستقیم سرعت متوسط جریان و ضریب دبی، افزایش همزمان طول دماغه و زاویه سرریز، سرعت متوسط جریان را در ابتدای برخورد به کف کانال تا 4 برابر افزایش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical study of discharge coefficient of trapezoidal labyrinth weir by changing the angle using Flow3D model

نویسندگان [English]

  • Nazli Mirzaei 1
  • Ebrahim Asadi 2
  • akram abbaspour 3

1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz

2 Shahid Madani Tabriz

3 Tabriz UN

چکیده [English]

Among the regulator structures used in water projects, weirs have remarkable applications like measuring flow, maintaining water level, controlling sediment transport, and managing variable water inflows. Weirs can be classified on the weir axis direction as a normal, side, or a labyrinth weir. labyrinth weirs are hydraulic structures used to regulate water levels and control flow in reservoirs of dams, canals and rivers.The discharge coefficient in the weirs is directly proportional to the crest length of weir. If the width of the channel or reservoir where the weir made is limited, one of the ways to increase the capacity is to increase the crest length of weir by zigzagging the weir in the plan. Due to their complex geometry labyrinth weirs are expensive to build. Therefore, in laboratory studies, high cost is one of the reasons that has made it difficult to investigate this type of weir comprehensively. Numerical methods are a very good option for hydraulic analysis of labyrinth weirs hydraulic. The history of the construction of labyrinth weirs goes back to before the year 1920 (Darvas, 1971). labyrinth weirs were first investigated by Gentellini )1940(. Vahab nezhad (2017) studied the changes in discharge coefficient for the three angles of 15, 18 and 23 degrees. Zamiri, et al. (2016) showed that increasing the thickness of the labyrinth weir wall increases the depth and velocity of the flow and ultimately reduces the discharge coefficient. The results showed that the discharge coefficient increases with increasing the weir angle, because as the weir angle increases, the weir length decreases and the discharge coefficient increase.

In this study, the weir performance of a trapezoidal labyrinth with different angles (α) was investigated. For this purpose, labyrinth weir modeling was performed with three angles of 15, 23 and 30 degrees for two crest length of 5 and 7 cm and three heights of 10, 14 and 18 cm. The geometry of the weirs was created in the Inventor software and simulation was performed in Flow3D software. In order to validate the simulation and adjust the software parameters, valid laboratory data were used and the results of the model were in good agreement with the results of the laboratory data. For this purpose, the discharge coefficient of numerical models (Cd (CFD)) and laboratory (Cd (EXP)) for different values of water to overflow ratio (h / p) were compared and the error value was calculated. The highest error rate is 5.88 and the lowest is zero. In fact, with increasing the ratio (h/p) the error rate has increased, but this increase is also acceptable and the results show that Flow3D software has a very good ability to simulate labyrinth weir. Flow field study was performed with different turbulence models in Flow3D software using laboratory data. The RNG model was used in all simulations. To mesh the model, the channel was divided into three parts: initial, middle and end. The dimensions of the cube of the initial and final parts are 1 cm and the middle part is 5 mm.

Analysis of the results showed that increasing the weir angle in a fixed crest length, increases the discharge coefficient (cd). The inverse relationship between the relative hydraulic load (h/p) and the discharge coefficient was also determined. Increasing the crest length of the weir by 2 cm, the trend of increasing the discharge coefficient due to increasing the weir angle, decreased by 9%. Also, increasing the angle 15 degrees, the trend of increasing the discharge coefficient due to increasing the crest length, decreased by 5%. This means that at higher angles, the effect of increasing the crest length on the discharge coefficient decreased and during shorter crest length, the effect of increasing the angle on discharge coefficient increased. Due to the direct relationship between the discharge coefficient and the average flow velocity, simultaneous increase crest length and weir angle increased the average flow velocity by 4 times at the beginning of the channel floor impact. In cases where the purpose of the study is to increase the discharge coefficient by increasing the angle and length of the weir crest, it should be noted that the effect of increasing the angle and length of the weir crest is more noticeable at low altitudes, So that with increasing the height of the weir this amount decreases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • discharge coefficient
  • hydraulic load
  • numerical model
  • trapezoidal labyrinth weir
  • turbulence model
  • سنگ‌سفیدی ی. 1392. بررسی آزمایشگاهی ضریب آبگذری جریان در سرریزهای کنگره‌ای قوسی با پلان ذوزنقه‌ای. پایان‌‌نامه کارشناسی ارشد. سازه‌های هیدرولیکی. دانشگاه تربیت مدرس. 122 ص.
  • شفاعت‌طلب دهقانی ح. اسمعیلی ورکی م. و اشرف‌زاده ا. 1395. مطالعه آزمایشگاهی تاثیر تراز پایاب بر ضریب دبی در سرریزهای‌کنگره‌ای با پلان ذوزنقه‌. تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی. 17(67): 63-80.
  • ضمیری ا. کرمی ح. و فرزین س. 1396. مطالعه عددی عوامل موثر بر عملکرد هیدرولیکی جریان عبوری از سرریز کنگره‌ای. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 11(5): 865-875.
  • عباسی س. صفرزاده ا. و معصومی ف. 1396. بررسی تحلیلی پارامترهای مؤثر بر عملکرد هیدرولیکی سرریزهای کنگره‌ای. شانزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران. دانشکدة فنی و مهندسی. دانشگاه محقق اردبیلی.
  • قاسم‌زاده ف. 1394. شبیه‌سازی مسائل هیدرولیکی در Flow3D. نشر نوآور، 256 ص.
  • قلی‌زاده ع. قدسیان م. و پناهی ر. 1395. بررسی عددی تاثیر شکل تاج بر ضریب آبگذری در سرریزهای کنگره‌ای قوسی با پلان ذوزنقه‌ای. نشریه مهندسی عمران مدرس. 16(4): 225-238.
  • نجمایی م. 1373. هیدرولیک کاربردی. انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران. 416 ص.
  • ورستینگ ه ک. و مالالاسکرا و. 1386. مقدمهای بر دینامیک سیالات محاسباتی. مترجم: شجاعی‌فرد م. ح. و نورپور هشترودی ع ر. چاپ دوم. انتشارات دانشگاه علم و صنعت. تهران. 422 ص.
  • وهاب‌نژاد ح. 1397. بررسی آزمایشگاهی دبی تخلیه سرریز زیگزاگی طبقه‌ای با و بدون وجود تیغه شکافنده جریان. پایان‌نامه کارشناسی ارشد. سازه‌های آبی. دانشگاه تبریز. 104 ص.
  • Crookston B. M. and Tullis B. P. 2012. Discharge efficiency of reservoir-application specific labyrinth weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(6): 564-568.
  • Crookston B. M. and Tullis B. P. 2013. Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139(5): 371-377.
  • Dabling M. R. Tullis B. P. and Crookston B. M. 2013. Staged labyrinth weir hydraulics. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139(11): 955-960.
  • Darvas L. A. 1971. Performance and design of labyrinth weir. Journal of American Society of Civil Engineers. 97(8): 1246-1251.
  • Gentilini B. 1940. Weirs within plan oblique crest and zig-zag. Memories and Studies of the Institute of Hydraulics and Hydraulic Regil the Polytechnic of Milan.
  • Seo I. W. Do Kim Y. Park Y. S. and Song C. G. 2016. Spillway discharges by modification of weir shapes and overflow surroundings. Environmental Earth Sciences. 75(6): 1-13.
  • Willmore C. 2004. Hydraulic characteristics of labyrinth weirs. Master of Science. Report. Civil and Environmental Engineering. Utah State University. 110 p.