بررسي ضريب دبي در سرريز تاج دايره‌اي با استفاده از مدل‌سازي عددي

Research Note « Investigation on Discharge Coefficient of Circular Crested Weir using Numerical Modeling

سرريزهاي استوانه‌اي و سرريزهاي تاج دايره‌اي به دليل اقتصادي بودن و سهولت ساخت در مقايسه با ساير سرريزها مي‌توانند براي اندازه­ گيري شدت جريان، ساختمان‌هاي تخليه جريان آب و كنترل سطح آب در كانال‌ها و مخازن مورد استفاده قرار گيرند. در تحقيق حاضر وضعيت جريان روي 28 مدل فيزيكي سرريز تاج دايره‌اي با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت شبيه سازي شد و با نتايج مدل­هاي آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار گرفت. در اين مطالعه تأثير پارامترهاي شعاع، ارتفاع، شيب بالادست، شيب پايين‌دست و كمان تاج در بالادست سرريز بر ضريب دبي جريان بررسي شد. شبيه­ سازي در نرم‌افزار فلوئنت با استفاده از مدل آشفتگي k–ε و مدل چندفازي VOF انجام گرفت. از مقايسه نتايج مدل شبيه ­سازي شده با نتايج آزمايشگاهي مشخص گرديد مقدار NRMSE براي مدل‌هاي مورد بررسي برابر با 7/7 درصد و خطاي نسبي برابر با ۴/۶ درصد است بنابراين فلوئنت با دقت مناسبي قادر به شبيه سازي جريان مي­باشد. پس از اطمينان از دقت نتايج، دامنه داده ­هاي آزمايشگاهي افزايش داده شد و نتايج قابل توجهي نسبت به مطالعه آزمايشگاهي حاصل گرديد. نتايج نشان داد كه با افزايش بار كل آب در بالادست، به ترتيب براي سرريزهاي استوانه‌اي، نيم‌استوانه‌اي و ربع‌استوانه‌اي تا مقدار 2، ۱/۳ و ۰/۹۶، ضريب دبي روند افزايشي و پس از آن روند كاهشي دارد. افزايش ارتفاع سرريز باعث افزايش ضريب دبي جريان گرديد، در حاليكه تغييرات كمان تاج تأثيري بر ضريب دبي نداشت. همچنين ضريب دبي در H1/R ثابت براي سرريزهاي استوانه‌اي بيشترين مقدار (915/0=Cd) و براي سرريزهاي ربع‌استوانه‌اي كم‌ترين مقدار (851/0=Cd) را دارد.

Cylindrical overflows and circular crested weirs, due to economical reasons and simplicity of manufacture, compared to other overflows can be used in measuring flow intensity, discharge and water level control in channels and reservoirs. In this study, flow characteristics in 28 physical models of circular crested weirs using the FLUENT model were simulated and the results were compared with the physical models. In addition, the effect of the radius, height, upstream slope, downstream slope and upstream arc crest overflow parameters were also investigated. Simulation in FLUENT software was made by using k-Ɛ turbulence model and VOF multiphase model. Comparison of simulation and experimental models indicated that NRMSE is 7.7% and the relative error equals to 6.4%, which indicates the accuracy of numerical modeling in calculation of discharge coefficient. As a result, good agreement was obtained between FLUENT model and physical models. The results also showed that discharge coefficient increases by the total load (H1/R), equal to the values of 2, 1.3 and 0.96 in cylindrical overflows, semi cylindrical and quadrant cylindrical respectively. Increasing the weir height also causes increase in the discharge coefficient. Other parameters have slight impact on the discharge coefficient. Moreover, discharge coefficient of cylindrical weir has the maximum (Cd=0.915) and the quadrant cylindrical weir has the minimum value (Cd=0.851) under constant H1/R.