مقایسه روش‌های اختلاطی و حجم سیال برای شبیه‌سازی عددی اختلاط آب و هوا در جریان غیرریزشی روی سرریزهای پلکانی

از آن‌جا که سرریزهای پلکانی می‌توانند با اتلاف انرژی، نقش مهمی در کاهش ابعاد حوضچه‌های آرامش پایین‌دست سدها و در نتیجه طراحی اقتصادی آن‌ها ایفا نمایند، مطالعه و بررسی این سرریزها مورد علاقه مهندسان هیدرولیک می‌باشد. معمولاً شناخت هوادهی سطحی در سرریزهای پلکانی، مهم و قابل‌توجه است. در این مقاله به‌منظور بررسی توانایی روش‌های اختلاطی و حجم سیال، با استفاده از نرم‌افزار فلوینت، چگونگی ورود هوا به داخل آب در سرریزهای پلکانی شبیه‌سازی شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی مربوط به سطح آزاد، مولفه‌های سرعت و غلظت هوای محبوس در آب و چگونگی ورود هوا به داخل آب با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. براساس نتایج به‌دست آمده، در نواحی شروع هوادهی که اختلاط زیاد آب و هوا وجود دارد، روش اختلاطی نسبت به روش حجم سیال سطح آزاد را بهتر شبیه‌سازی می‌کند. بر روی پله‌هایی که نزدیک‌تر به محل شروع اختلاط آب و هوا هستند، نتایج دو روش اختلاطی و حجم سیال در خصوص پیش‌بینی توزیع سرعت به‌هم نزدیک هستند (مقدار ریشه میانگین مربعات خطا برای روش اختلاطی برابر 25/0 و برای روش حجم سیال برابر 23/0 است). اما در پله‌هایی که فاصله آن‌ها از نقطه شروع هوادهی بیش‌تر است و اختلاط کامل‌تر آب و هوا انجام شده، روش اختلاطی نتایج به‌نسبت بهتری ارایه می‌دهد (مقدار ریشه میانگین مربعات خطا برای روش اختلاطی برابر 23/0 و برای روش حجم سیال برابر 33/0 است). همچنین زمان هم‌گرایی روش اختلاطی در مقایسه با روش حجم سیال بسیار کم‌تر است به‌طوری‌که این زمان می‌تواند 5-4 برابر کاهش یابد.