مطالعه عددی افت انرژی و طول پرش هیدرولیکی نوع s‌ در استفاده از بیم‌های متقاطع بعنوان زبری در بازشدگی ناگهانی

هدف: باتوجه‌به اهمیت حوضچه‌های آرامش و پرهزینه و زمان بر بودن مدل‌های آزمایشگاهی، به‌کارگیری مدل‌های عددی جهت شبیه‌سازی پدیده در موقعیت‌های مختلف و کاهش هزینه و زمان تاثیر زیادی دارند؛ بنابراین در این تحقیق شبیه‌سازی عددی پرش هیدرولیکی نامتقارن در مقاطع واگرای ناگهانی و تاثیر به‌کارگیری سیستم بیم‌های متقاطع در پایداری پرش به‌صورت سه‌بعدی با استفاده از نرم‌افزار flow-3d انجام شده است.  روش پژوهش: در این تحقیق پرش هیدرولیکی در کانال مستطیلی با مقطع واگرای ناگهانی با نسبت واگرایی (b=b1/b2=0.67) و به‌کارگیری سیستم بیم های متقاطع به عنوان زبری جهت کنترل پرش هیدرولیکی نامتقارن نوع s که با ایجاد ضربه‌های مواج موجب فرسایش کف و دیواره فلوم می‌گردد و با مدل‌سازی با نرم افزار flow-3d به صورت سه بعدی شبیه سازی گردید. مشخصات پرش هیدرولیکی با بررسی سرعت درکف و تعیین سه ترکیب بندی مختلف از سیستم بیم های متقاطع با متغیرهایی شامل فاصله سیستم بیم ها از مقطع واگرا، زاویه سیستم بیم ها با کف کانال، تعداد و ضخامت بیم ها در درصدهای مختلف عمق پایاب مرجع مورد بررسی قرار گرفت.  یافته‌ها: نتایج حاصل از شبیه سازی های عددی با تایید نتایج آزمایشگاهی نشان داد که به‌کارگیری سیستم زبری کف با استفاده از بیم‌های متقاطع در تعداد و زوایای مختلف و پس از دریافت بهینه ترکیب‌بندی با استفاده از روابط ضرایب سرعت، در همه عمق‌های پایاب مورد آزمایش، باعث پایداری و حذف موج‌های نامتقارن و جریان برگشتی در پرش نامتقارن نوع s می‌گردد. همچنین با استفاده از سیستم زبری با بیم‌های متقاطع، بیشترین افت نسبی انرژی در مقاطع و عمق‌های پایاب مختلف مورد آزمایش برای ترکیب‌بندی 1، 2 و 3 به ترتیب برابر با 06/36، 67/74 و 6/78 درصد محاسبه گردید. در بررسی پروفیل سطح آب در سه ترکیب‌بندی بیم‌های متقاطع، ترکیب‌بندی 1 (c1) روند منظم‌تری در توزیع عمق جریان در مقطع عرضی کانال و در مقاطع 3/0 تا 2 متر از انتهای سیستم سازه‌ای دارد. در بررسی خروجی از شبیه‌سازی مدل برای بار آبی کل (thh) و نقطه انتهای استهلاک انرژی یا پرش هیدرولیکی (j * γ) در ترکیب‌بندی c1،  این نقطه بعد از بیم سوم (n=5) تشخیص داده شد که جریان پس از عبور از رو و زیر آن با خطوط متمرکزی امتدادیافته است.  نتیجه‌گیری: بر اساس شاخص بار آبی کل و کنترل استهلاک انرژی، شرایط ترکیب‌بندی c1 قابلیت کنترل استهلاک درون سیستم سازه و قبل از خروج جریان از سیستم سازه زبری با بیم‌های متقاطع را در شرایط مطلوب‌تری داراست.

numerical study of energy loss and s-type hydraulic jump length using cross beams as roughness in sudden expansion

objective: the main goal is to understand better the hydraulic jump mechanism in the sudden expansion channel and investigate the cross-beam system’s effect as a roughness for the control and stability of the hydraulic jump. method: in this study, the hydraulic jump in a rectangular channel with a sudden diverging section (with a divergence ratio of b=b1/b2=0.67b=b1/b2=0.67) was simulated using a cross-beam system as roughness to control an asymmetric s-type hydraulic jump. this type of jump generates wave impacts that cause flume bed and wall erosion. the simulation was conducted three-dimensionally using the flow-3d software. the hydraulic jump characteristics were examined by analyzing the velocity at the bed and evaluating three different configurations of the cross-beam system. variables included the distance of the beam system from the diverging section, the angle of the beams relative to the channel bed, and the number and thickness of the beams at various percentages of the reference tailwater depth. results: the results of the numerical simulations, validated by experimental data, demonstrated that using a floor roughness system with cross-beams in various numbers and angles—after optimizing the configuration using velocity coefficient relationships—stabilized and eliminated asymmetric waves and reverse flow in the s-type hydraulic jump across all tested tailwater depths. the cross-beam roughness system also resulted in the highest relative energy loss for configurations 1, 2, and 3, calculated at 36.06%, 74.67%, and 78.6%, respectively, across different sections and tailwater depths. in analyzing the water surface profile for the three cross-beam configurations, configuration 1 (c1) exhibited a more uniform distribution of flow depth in the channel’s cross-section, particularly in the sections 0.3 to 2 meters from the end of the structural system. for the total hydraulic head (thh) and the energy dissipation endpoint (or hydraulic jump, j∗γj∗γ) in configuration c1, this point was identified after the third beam (n=5). the flow extended with concentrated lines after passing over and under the beams. conclusions: based on the total hydraulic head index and energy dissipation control, configuration c1 demonstrated superior capability in controlling energy dissipation within the structural system before the flow exited the cross-beam roughness system.