مقايسه روش‌هاي اختلاطي و حجم سيال براي شبيه‌سازي عددي اختلاط آب و هوا در جريان غيرريزشي روي سرريزهاي پلكاني

Comparison of Mixture and VOF methods for numerical simulation of air-entrainment in skimming flow over stepped spillways

از آن‌جا كه سرريزهاي پلكاني مي‌توانند با اتلاف انرژي، نقش مهمي در كاهش ابعاد حوضچه‌هاي آرامش پايين‌دست سدها و در نتيجه طراحي اقتصادي آن‌ها ايفا نمايند، مطالعه و بررسي اين سرريزها مورد علاقه مهندسان هيدروليك مي‌باشد. معمولاً شناخت هوادهي سطحي در سرريزهاي پلكاني، مهم و قابل‌توجه است. در اين مقاله به‌منظور بررسي توانايي روش‌هاي اختلاطي و حجم سيال، با استفاده از نرم‌افزار فلوينت، چگونگي ورود هوا به داخل آب در سرريزهاي پلكاني شبيه‌سازي شده است. نتايج شبيه‌سازي عددي مربوط به سطح آزاد، مولفه‌هاي سرعت و غلظت هواي محبوس در آب و چگونگي ورود هوا به داخل آب با نتايج آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار گرفته‌اند. براساس نتايج به‌دست آمده، در نواحي شروع هوادهي كه اختلاط زياد آب و هوا وجود دارد، روش اختلاطي نسبت به روش حجم سيال سطح آزاد را بهتر شبيه‌سازي مي‌كند. بر روي پله‌هايي كه نزديك‌تر به محل شروع اختلاط آب و هوا هستند، نتايج دو روش اختلاطي و حجم سيال در خصوص پيش‌بيني توزيع سرعت به‌هم نزديك هستند (مقدار ريشه ميانگين مربعات خطا براي روش اختلاطي برابر 25/0 و براي روش حجم سيال برابر 23/0 است). اما در پله‌هايي كه فاصله آن‌ها از نقطه شروع هوادهي بيش‌تر است و اختلاط كامل‌تر آب و هوا انجام شده، روش اختلاطي نتايج به‌نسبت بهتري ارايه مي‌دهد (مقدار ريشه ميانگين مربعات خطا براي روش اختلاطي برابر 23/0 و براي روش حجم سيال برابر 33/0 است). همچنين زمان هم‌گرايي روش اختلاطي در مقايسه با روش حجم سيال بسيار كم‌تر است به‌طوري‌كه اين زمان مي‌تواند 5-4 برابر كاهش يابد.

Because stepped spillways can significantly reduce the depth and size needed for a stilling basin at the toe of a dam and lead to great economic benefit, these spillways are increasingly attractive in hydraulic engineering. It is commonly acknowledged that free-surface aeration is significant in stepped spillways. In this paper, for investigation of Mixture and VOF methodʹs ability, air-entrainment in skimming flow over the stepped spillways is simulated by using Fluent software. The numerical simulation results of free surface, velocity components and air concentration in water and circumstance of air entry into the water have been compared with the experimental results. It was found, downstream of the inception point of free-surface aeration which rapid free-surface aeration is observed, free surface is simulated better by Mixture method. On the steps downstream of the inception point of free-surface aeration, the results of Mixture and VOF methods about velocity distribution are closer together (RMSE is equal to 0.25 and 0.23 for Mixture and VOF Methods, respectively). But on the steps located further downstream by a strong air entrainment, Mixture method gives relatively better results (RMSE is equal to 0.23 and 0.33 for Mixture and VOF Methods, respectively). Also in the Mixture method, convergence time is much less than VOF method. This time reduces about four to five times.