توسعه مدل عددي سه بعدي به منظور شبيه سازي جريان سيال و انتقال رسوب
در حوضچههاي ترسيب

سيد حسين قريشي نجف آبادي*
دانشكده مهندسي آب و محيط زيست، پرديس فني و مهندسي شهيد عباسپور، دانشگاه شهيد بهشتي

(دريافت مقاله: ٥/٦/١٣٩٢- دريافت نسخه نهايي:٢٨/١١/١٣٩٢)

چكيده – هنگامي كه رودخانه مقادير قابل توجهي از ذرات رسوب را حمل مي كند، طرح يك حوضچه ترسيب در ابتداي آبگير ضـرور ي اسـت . در تحقيق حاضر يك مدل عددي سه بعدي بهمنظور شبيه سازي فرايند رسوب گذاري در حوضچه هاي ترسيب توسعه داده شـده اسـت. معـادلاتمتوسط گيري شده زماني ناويراستوكس (معادلات رينولدز) بهعنوان معادلات حاكم جريان، معادله انتقال-پخش غلظت رسوبات براي شبيه سـازيبارمعلق و معادله وان راين بهعنوان بار بستر در تمام سلول هاي بستر به عنوان شرايط مرزي كف استفاده شده است. روش مورد استفاده براي حـلعددي مجموعه معادلات جريان، روش حجم محدود در مكان و روش اختلاف محدود در زمان است. براي فراينـد جداسـازي فشـار، از الگـوريتمMAC بهره گرفته شد. براي گسسته سازي معادله انتقال-پخش رسوب نيز روش حجم محدود مورد استفاده قرار گرفت. نتايج حاصله با مدل هاي فيزيكي مختلف، مورد مقايسه و صحت سنجي قرار گرفت كه نتايج بسيار خوبي حاصل گرديد. سپس مدل عددي در حوضـچه ترسـيب نكوآبـادبه عنوان مطالعه موردي با موفقيت به كار گرفتهشد.
واژگان كليدي: شبيه سازي عددي، رسوبگذاري، حوضچه هاي ترسيب.

Development of Three-Dimensional Numerical Model to Simulate Fluid Flow and Sediment Transport in the settling Basins

S. H. Ghoreishi Najafabadi*

College of Technology & Engineering of Shahid Abbaspour, Shahid Beheshti University

Abstract: When high concentration of sediment is carried by the river, a settling basin design is required at the intake. In the present research, a three-dimensional numerical model was developed to simulate settling basin sedimentation. For the simulation, time averaged Navier-Stokes equations (RANS) as flow governing equations, convection-diffusion equation for suspended sediment concentration, and Van-Rijn bed load equation for boundary condition in the bed were used. Numerical solutions of the flow governing equations were suggested to be finite volume spatially and finite difference temporally. Decoupling procedure of the pressure was derived from MAC. Finite volume method was applied to discretise the convectiondiffusion equation for the suspended sediment equation. The predicted results proved comparable with the observed experimental data. Thereafter, the model was successfully applied to a real case study in Nekoabad settling basin.

Keywords: Numerical simulation, sedimentation, settling basins.

95062-8685

* : مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي:ghoreishi@pwut.ac.ir

١- مقدمه
در دهه هاي اخير، بـا توجـه بـه محـدوديت منـابع آب تجديـدشونده، افزايش تقاضاي آب باعث کاهش سـرانه ايـن منـابع درنقاط مختلف جهان شده است. از ايـن رو بهـره بـرداري از ايـنمنابع بهروش مطلوب، مؤثر و کارا براي تضمين توسعه پايـدار ، بهعنوان يکي از مهمترين موضوعات مطـرح در جو امـع بشـريمي باشد.
يکي از اصلي ترين ومهم ترين مسائل در بخـش آب، تـأمين آب مورد نياز وانتقال آن است. از عوامل کاهش دهنـده رانـدمانانتقال، رسـوبگذاري در کانـال هـاي انتقـال آب و در تأسيسـاتآبيـاري اسـت. از آنجـا کـه خسـارات وارده توسـط رسـوبات رودخانه اي به طبيعت، کشاورزي و سازه هاي آبي سـاخته شـدهدر رودخانه ها بسـيار گسـترده، وسـيع و زيـان آور اسـت، علـمشناخت رسوبات و کنترل آن ها براي متخصصـان مهندسـي آبامري ضروري است.
براي جلوگيري يا به حداقل رسـاندن خسـارات وارده بايـدسه فرايند فرسايش، انتقال و نهشته شدن مواد رسـوبي را مـوردمطالعه قرار داد. به دليل زياد بـودن عوامـل مـؤثر در ايجـاد ايـنفرايندها، پيچيدگي هاي خاصي در آنها وجود دارد.
هنگامي که رودخانه مقادير قابل توجهي از ذرات رسوب را حمل مي کند، طـرح يـک حوضـچه ترسـيب در ابتـداي آبگيـرضروري است به گونه اي که سرعت پايين جريان در حوضـچه ونيروي ثقل، موجب ته نشيني ذرات شده و غلظـت رسـوبات درجريان خروجي حوضچه کاهش يابد.
روش هاي مختلفي براي طراحي حوضچه هاي ترسيب ارائـهشده اند. در روش کلاسيک اگر فرض شود کـه ذره رسـوبي درابتداي حوضچه در سطح آب قرار داشـته باشـد در آن صـورتطول حوضچه بايد آنچنان انتخـاب شـود کـه ايـن ذره در ايـنفاصله ته نشين گردد. در نتيجه طول حوضچه برابر است با:
L= VH/ω (۱)
در رابطه مزبور VوH بهترتيـب عبارتنـد از سـرعت جريـان درحوضچه و عمـق حوضـچه وω سـرعت سـقوط ذرات اسـت. نيز ضريبي است که معموًلًا برابـر ۲/۱ اختيـار مـي شـو د [۱].
مطابق رابطه فوق براي افزايش راندمان ترسيب، طول حوضـچهبايد طولاني تر باشـد امـا تجربـه محققـين نشـان داده اسـت كـهافزايش طول حوضچه نه تنها راندمان را از حدي بالاتر نمي بـردبلکه باعث افزايش هزينه هاي سازه نيز ميشود. از ايـن رو لازماست تا براي طراحي از روش هاي نوين بهره گرفت [۲]. مشکل زماني شديدتر مي شود که در مطالعات، پيش از طراحي يا حتـيهنگام بهره برداري تصويري نادرست از ميزان آورد رسوبات بـهحوضچه ترسيب يا رفتار و حرکـت رسـوبات درون حوضـچه،پيش بيني شود. براين اساس ضرورت انجـام مطالعـات صـحيحومدون در برآورد واقعي تر ميزان رسوبات وارد شده به حوضچه و چگونگي رفتار و حرکـت ايـن رسـوبات از اهميـت ويـژه اي برخوردار خواهد بود. اين مطالعات مي تواند از طريق مدل هـايفيزيکي، روش هاي تجربي و نيمه تجربي و يا مدل هـاي عـدديانجام گيرد. مدل هاي فيزيکي که منطبق بـر شـرايط خـاص هـرپروژه ساخته مي شوند، وقت گير و پر هزينه بوده و نتـايج آن هـانيز بهسادگي براي ساير پروژه ها قابل تعميم نمي باشـد . ازديگـر چالش هاي پيش رو در استفاده از روشهاي تجربي و نيمه تجربي آن است که تعداد بسياري از اين روش هـا بـا توجـه بـهشـرايطاقليمي و جغرافيايي نقاط مختلف دنيا بهدسـت آمـده و کـاليبرهشده اند. بنابراين به مقايسـه نتـايج حاصـل از ايـن روش هـا بـاداده هاي واقعي که حاصل عمليات هيدروگرافي حوضچه اسـت نياز است. [۳].
مدل هاي عددي كم هزينه تـر بـوده و در حالـت سـه بعـدي بهدليل شبيه سازي منطبـق بـر واقعيـت، دقيـق تـر از روش هـاي مذكور است و کاربرد آن ها نيز بخصوص با توسعه کامپيوتر هاي پيشرفته سريعًاً در حال گسترش است.
در تحقيق حاضر يك مدل عددي سه بعدي براي جريان سيال و انتقال رسوب توسعه داده شده اسـت و بـا بـهكـارگرفتن آن درحوضچه هاي ترسـيب و سـپس مقايسـه آن بـا مقـادير واقعـي،صحت نتايج اين مدل مورد بررسي قرار گرفت.لازم بهذكر است كه مدل مورد بحـث توسـط جمعـي از اسـاتيد و پژوهشـگراندانشگاه ليل فرانسه و پـرديس شـهيد عباسـپور دانشـگاه شـهيدبهشتي تهيه و كماكان در حال توسعه است.

۲- معادلات حاکم جريان سيال
معادلات حاكم جريان سيال در حالت کلي عبارتند از معـادلاتبقاي جرم، بقاي ممنتوم و بقاي انرژي، اما با توجه بـه مسـأله و فرضيات مورد نظر، هر مدل با شکل هاي مختلفي ديده مي شـود .
در ايــن تحقيــق از معــادلات متوســط گيــري شــده زمــانيناويراستوکس معروف به معادلات رينولدز۱ استفاده شده اسـت . براي حل مستقيم معادلات ناويراستوکس بـدون متوسـط گيـر ي زماني، به رايانه هـايي بـا سـرعتي بسـيار زيـادتر از رايانـه هـايامروزي نياز مي باشد. متوسط گيري زمـاني باعـث اضـافه شـدنترم هاي جديد به معادلات ناويراسـتوکس کـه بيـانگر آشـفتگيجريان هستند، شده است [۴]، لذا براي بهدست آوردن ترم هـايآشفتگي در معادلات ناويراستوکس مدل هـاي آشـفتگي توسـعهپيدا نموده اند. فرم کلي معادلات رينولدز بهشرح ذيل مي باشد:
معادله بقاي جرم:
U
115062-151656

xjj  0 (۲)
معادلات ممنتوم در سه جهت:
117534-80433

i
i
j
i
j
i
i
j
j
j
U
x
x
t
U
(
uu)
f
x
x













i

i

j

i

j

i

i

j

j

j

U

x



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید