بررسی استهلاک انرژی و خصوصیات هیدرولیکی جریان بر روی سرریزهای پلکانی ساده و شیبدار با استفاده از مدل فلوئنت

سرریزهای پلکانی از جمله سازه‌های هیدرولیکی هستند که به دلیل اتلاف زیاد انرژی جریان، نقش مهمی در کاهش ابعاد حوضچه‌ آرامش پایین‌دست سدها و در نتیجه طراحی اقتصادی آن‌ها دارند. مطالعه و بررسی خصوصیات هیدرولیکی جریان روی این سرریزها مورد توجه طراحان سد در دهه‌های اخیر بوده است. استفاده از مدل‌های فیزیکی و بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان بر روی سرریزهای پلکانی مستلزم صرف زمان و هزینه زیاد می‌باشد و مدل‌های ریاضی می‌توانند کمک شایانی به شناخت الگوی جریان بر روی این سازه‌ها کنند. در این پژوهش ابتدا نتایج خروجی مدل فلوئنت برای شبیه‌سازی تراز سطح آب، پروفیل سرعت و فشار بر روی سرریز پلکانی با داده‌های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. حداکثر خطای مطلق در محاسبه تراز سطح آب سه میلی‌متر و ریشه دوم میانگین مربعات خطا در شبیه‌سازی پروفیل سرعت و فشار به ترتیب 0.15 و 0.72 می‌باشد. پس از صحت‌سنجی مدل به بررسی تاثیر دبی و شیب پله‌ها بر خصوصیات هیدرولیکی جریان پرداخته شد. نتایج تحقیق نشان می‌دهند، حداکثر فشار که بر روی قسمت افقی پله‌ها اتفاق می‌افتد با افزایش دبی عبوری از سرریز پلکانی افزایش، اما حداقل فشار که در بخش عمودی پله‌ها رخ می‌دهد مقداری کاهش می‌یابد. بنابراین احتمال کاویتاسیون در دبی‌های زیاد و در قسمت عمودی پله‌ها بیشتر است. براساس نتایج این پژوهش، میزان استهلاک انرژی در جریان غیر‌ریزشی با افزایش شیب کف پله‌ها بدلیل افزایش تلاطم و بزرگ‌ شدن گردابه‌ها افزایش می‌یابد اما ازدیاد شیب پله‌ها تاثیر چندانی بر الگوی توزیع فشار انرژی ندارد. با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی و نتایج خروجی از مدل فلوئنت برای محاسبه استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی شیبدار رابطه‌ای ارائه شد که متوسط خطای آن حدود 3.1 درصد می‌باشد.