بررسی عددی توزیع سرعت و الگوی جریان عبوری از پله های اصلاح شده سرریز پلکانی

سرریزهای پلکانی از طریق ایجاد سطح مقاومتی و زبری پله ها در برابر جریان عبوری از خود، باعث استهلاک انرژی می شوند. در این تحقیق طرح اصلاح پله ها از طریق ایجاد المان های مکعبی شکل بر روی پله در آرایش های مختلف و شرایط هیدرولیکی متفاوت به منظور بهبود عملکرد سرریزهای پلکانی از طریق افزایش میزان استهلاک انرژی درنظرگرفته شده است. بدین منظور و با استفاده از نرم افزار flow-3d، تاثیر المان های روی پله بر روی نحوه توزیع سرعت، فشار، میزان انرژی جنبشی تلاطم و در نهایت میزان استهلاک انرژی جریان روی سرریز های اصلاح شده بررسی و با سرریز پلکانی ساده مقایسه شده است. نتایج عددی نشان داد که ایجاد المان‌های روی پله، باعث برخی نوسانات بر روی سطح جریان و افزایش شدت برخورد جریان از طریق انحراف تیغه‌های جریان از مسیر موازی خود می شوند. ایجاد المان‌های روی پله، باعث کاهش سرعت تا حدود 10 درصد، افزایش انرژی جنبشی متلاطم تا 54 درصد و افزایش 6.42 درصدی استهلاک انرژی در مدل های اصلاح شده نسبت به مدل پلکانی ساده گردید. بر روی وجه افقی پله ها فشار منفی وجود نداشت و فشار حداکثر در اواسط پله و متمایل به انتهای پله روی می دهد. وجود المان ها بر روی پله، باعث کوچک تر شدن نواحی فشار منفی در وجه قائم سرریز پلکانی می شوند و خطر ایجاد پدیده کاویتاسیون را کاهش می دهند. مدل المانهای ترکیبی در بین آرایش ها بهترین عملکرد را داشته و کاهش ارتفاع المانها باعث بهبود رفتار آن ها می شود.

numerical investigation of velocity distribution and flow characteristics over modified steps of stepped spillway

introduction: stepped spillways are a common structure for energy dissipation by creating frictional resistance to flow through the steps. based on the studies and depending on flow conditions, the flow over a stepped spillway is usually categorized into three regimes: nappe, transition, and skimming. the stepped spillway is often designed for skimming flows. there were different studies investigating various aspects of stepped spillways, but what is important in this type of spillway is increasing the effectiveness of steps in the rate of energy dissipation. this can be done by a new type of step structure (i.e., inclination angles on steps or using a sill on the edge of a step and cases like that) or geometric alteration and change of steps called labyrinth stepped spillways. therefore, it is scientifically beneficial to modify the shape of the step of the stepped spillway to increase its collision and roll to achieve energy dissipation. the present study deals with the design of step modification by creating cubic elements on the steps in different arrangements and different hydraulic conditions. this has been considered to improve the performance of stepped spillways by increasing the energy dissipation. for this purpose, using flow-3d software, the influence of geometric appendance elements on the steps on the velocity distribution, pressure, the turbulent kinetic energy (tke), and finally the flow resistance and the energy dissipation on modified spillways was investigated and compared with the flat stepped spillway.methodology: the physical model for verifying the numerical results was carried out in a rectangular flume with a length of 12 m, a width of 1.2 m, and a height of 0.8 m. the experiments were conducted on a stepped spillway with a slope of 26.60° and consisted of 10 steps with step length (l) and height (h) of 0.06 and 0.12 m, respectively. stepped spillway models in numerical study include flat models and models with cubic elements placed on the steps in four arrangements of two side, zigzag, center, and hybrid ae elements and two heights of elements h/2 and h/4 (h step height). the commercially available cfd program flow-3d was used for the numerical simulations. the rng k-ε turbulence model was employed for the turbulence calculations. to obtain mesh-independent results, three different mesh sizes were used, and the grid convergence index (gci) methodology was employed to select the appropriate mesh. as a result, the mesh consisting of a containing block with a cell size of 1.3 cm and a nested block of 0.95 cm was selected. in the fluid domain, the boundary conditions were set according to the experimental conditions. in the upstream of the domain, a discharge flow rate (q) definition was set. the downstream section was treated as an outflow (o) boundary condition.