بررسي اثر قدرت لايه‌بندي حرارتي بر بازده اختلاط مصنوعي در مخازن سدها

Evaluation of the Effect of Thermal Stratification Strength on Artificial De-stratification Efficiency in Reservoirs

پدیده‌های لایه‌بندی و اختلاط در مخزن سد می‌توانند پارامترهای كیفی آب را در طول سال در تراز‌های مختلف آبگیری به مقدار زیادی تحت‌الشعاع قرار دهند. یك روش مرسوم برای از بین بردن لایه‌بندی و ایجاد اختلاط در مخزن، هوادهی به بدنه آبی از كف مخزن می‌باشد. در صورت طراحی صحیح سیستم هواده با توجه به قدرت لایه‌بندی می‌توان بازده فرایند را تا حد امكان افزایش داد. در این پژوهش از یك مدل تجاری كاملاً سه‌بعدی دینامیك سیالات محاسباتی (Fluent) برای مطالعه اختلاط مصنوعی لایه‌بندی حرارتی در یك مخزن آزمایشگاهی استفاده شده است. زیربرنامه‌هایی به منظور حل دقیق مسأله مورد بررسی، تحت عنوان توابع UDF به كد اصلی نرم­افزار اضافه گردیدند. بر اساس نتایج حاصل شده از مدل عددی، قدرت لایه‌بندی عامل تعیین كننده‌ای در میزان انرژی لازم برای اختلاط كامل در مخزن می‌باشد. همچنین با بررسی اختلاط در دو مخزن با قدرت لایه‌بندی برابر، مشخص گردید كه با كاهش میزان هوای تزریق شده به سیستم، میزان كم‌تری از انرژی ورودی به سیستم طی آشفتگی اضمحلال می‌یابد و در نتیجه آن، بازده اختلاط مصنوعی افزایش پیدا خواهد كرد. با توجه به نتایج پژوهش حاضر توصیه می‌شود طراحی سیستم هواده به گونه‌ای باشد كه عدد پلوم در محدوده بیش از 400 قرار گیرد.

Thermal stratification and mixing can greatly change the water quality in a reservoir during a year. A conventional method to de-stratify the reservoir is using a bubble plume produced by an air diffuser system. If the aeration system designed properly, maximum efficiency can be achieved. In this paper a full three dimensional computational fluid dynamics model using ANSYS Fluent software employed to study the artificial de-stratification process in a laboratory tank. Because of some deficiencies in Fluent software and in order to produce more accurate results, UDF codes were written and added to the CFD model. Based on the results, stratification strength is a critical factor which controls the energy required for mixing the reservoir. It is also concluded that by reducing the amount of gas injected to the reservoir, less energy dissipates through turbulence. Therefore, the efficiency of de-stratification process will increase. According to the results, it is recommended that aeration system should be designed to work when plume number is around 400.