شبیه سازی و بهینه سازی پارامترهای هیدرولیکی جریان آشفته در تخلیه کننده های تحتانی سد با استفاده از open foam

مقدمه: استفاده از روش های عددی به طور گسترده در تشخیص عملکرد سیستم های هیدرولیکی و بهینه سازی آنها مورد استفاده قرار می گیرد. مدل سازی عددی هزینه کمتری نسبت به کار تجربی دارد. روش های عددی می توانند برای بررسی صحت نتایح و مقایسه بین آنها نیز مورد بهره برداری قرار بگیرند. در این پایان نامه روش حجم سیال برای شبیه سازی جریان سطح آزاد آب در داخل تخلیه کننده تحتانی سد کانی رش مورد استفاده قرار گرفته است. از آنحاییکه جریان در داخل تخلیه کننده ها به صورت آشفته است، از مدل های توربولانسی k-ε ، k-ε rng ، k-ω sst ، k-ω و همچنین les استفاده و مقایسه شده اند. همچنین ضریب تخلیه در داخل تخلیه کننده تحتانی و دبی هوادهی نیز مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. روش: برای شبیه سازی جریان توربولانسی داخل تخلیه کننده تحتانی، معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی و معادله حالت به همراه معادلات مربوط به مدل های آشفتگی مذکور با استفاده از نرم افزار اپن فوم حل شده اند.مجموعه معادلات بقای جرم، بقای ممنتوم و انرژی برای جریان آشفته که اصطلاحاً به آن ها معادلات متوسط گیری رینولدز گفته می شود، معادلات حاکم بر جریان بوده و با حل عددی آنها به مدل سازی جریان پرداخته می شود. یافته ها: شبیه سازی و بهینه سازی پارامترهای هیدرولیکی جریان آشفته در تخلیه کننده های تحتانی سد کانی سیب با استفاده از اپن فوم ( openfoam) پردخته شده است. نتایج بر روی پارامترهای تخلیه کننده تحتانی سد کانی سیب صورت گرفته است. و بهینه سازی نیز با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام پذیرفته است. در این تحقیق مشخص گردید که با افزایش قطر هیدرولیکی، ضریب تخلیه افزایش می یابد. همچنین با افزایش قطر هیدرولیکی، هسته ی جت سیال آب داخل تخلیه کننده دچار نوسان شدیدی می گردد که میتواند افزایش تنش برشی را رقم بزند. افزایش بیش از حد تنش برشی از طرفی می تواند باعث خوردگی جداره های تخلیه کننده گردد. از طرف مقابل با کاهش بیشتر تنش برشی، رسوبگذاری در داخل تخلیه کننده تحتانی افزایش مییابد. در ضمن با افزایش طول تخلیه کننده تحتانی، ضریب تخلیه دچار کاهش میشود. انتخاب بهینه طول تخلیه کننده تحتانی وابسته به ارتفاع پشت سد می باشد. با افزایش میزان بازشدگی، ضریب تخلیه نیز افزایش مییابد و مدل توربولانسی k-ε نتایج قابل قبول تری برای تخمین نتایج به دست می دهد. در نهایت برای هر دبی هوادهی، یک مجموعه مقادیر بهینه برای ضریب تخلیه و میزان بازشدگی به دست آمده است.نتیجه گیری: در این تحقیق به شبیه سازی و بهینه سازی پارامترهای هیدرولیکی جریان آشفته در تخلیه کننده های تحتانی سد کانی سیب با استفاده از اپن فوم(openfoam) پرداخته شده است. نتایج بر روی پارامترهای تخلیه کننده تحتانی سد کانی سیب صورت گرفته است. و بهینه سازی نیز با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام پذیرفته است. نتایج بیانگر این مطلب است که روش عددی استفاده شده در اپن فوم، با کارهای تجربی تطابقت بسیار خوبی دارد، مخصوصاَ در مدل توربولانسی k-ω نسبت به k-ε. نتایج بیانگر این مطلب بود که در درصد خطا شبیه سازی برای ضریب تخلیه چیزی در حدود 7 درصد می باشد و نتایج بهینه و شبیه سازی برای دبی هوادهی نیز به ترتیب برابر مقدار 20 و 24 متر مکعب بر ساعت است. همچنین مشخص گردید که با افزایش قطر هیدرولیکی، ضریب تخلیه افزایش می یابد و با افزایش طول تخلیه کننده تحتانی، ضریب تخلیه دچار کاهش می شود. انتخاب بهینه طول تخلیه کننده تحتانی وابسته به ارتفاع پشت سد می باشد.

simulation and optimization of hydraulics parameter in turbulence flow of dam bottom outlet using openfoam

introduction: the use of numerical methods is widely used in diagnosing the performance of hydraulic systems and optimizing them. numerical modeling is less expensive than experimental work. numerical methods can be used to check the accuracy of the results and compare them. in this thesis, the fluid volume method is used to simulate the free surface flow of water inside the lower discharger of kani sib dam. since the flow inside the dischargers is turbulent, k-ε, k-ε rng, k-ω sst, k-ω and also les turbulence models have been used and compared. also, the discharge coefficient inside the lower discharger and the aeration flow have been investigated and compared.methods: to simulate the turbulent flow inside the lower discharger, continuity equations, momentum, energy and equation of state along with equations related to the aforementioned turbulence models have been solved using openfoam software.  the set of equations of conservation of mass, conservation of momentum and energy for turbulent flow, which are so-called reynolds averaging equations, are the governing equations of the flow and are used to model the flow by solving them numerically.findings: the simulation and optimization of the hydraulic parameters of the turbulent flow in the lower dischargers of the sib mineral dam has been completed using openfoam. the results have been made on the parameters of the lower discharger of sib mineral dam. and the optimization is done using genetic algorithm. in this research, it was found that with the increase of the hydraulic diameter, the discharge coefficient increases. also, with the increase of the hydraulic diameter, the core of the water fluid jet inside the discharger undergoes a strong fluctuation, which can increase the shear stress. an excessive increase in shear stress can cause corrosion of the discharge walls. on the other hand, with a further decrease in shear stress, deposition inside the lower discharger increases. at the same time, with the increase in the length of the lower discharger, the discharge coefficient decreases. the optimal selection of the length of the lower drain depends on the height behind the dam. as the opening rate increases, the discharge coefficient also increases and the k- ε turbulence model gives more acceptable results to estimate the results. finally, for each aeration flow rate, a set of optimal values for the discharge coefficient and the opening rate has been obtained.