کاهش تلاطم در مخازن آب با دیواره‌های قایم و افقی با استفاده از مدل عددی انسیس
محورهای موضوعی : هیدرولوژی، هیدرولیک و ساختمان های انتقال آب
علی نومیری
1
,
امیر خسروجردی
2
,
علی صارمی
3
1 - دانشجوی دکتری گروه مهندسی آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - استادیار گروه مهندسی آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 - استادیار گروه مهندسی آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
کلید واژه: مخزن, استهلاک انرژی, مدل عددی, نیروی هیدرودینامیک, موج زلزله,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: مخازن باید کاربری خود را پس از زمین لرزه های بزرگ حفظ و نیاز های حیاتی را رفع نماید و از سوی دیگر همین سازه ها باید به گونه ای رفتار کنند که در هنگام زلزله خود باعث آسیب رساندن نشود. از اینرو استفاده از بافلها یکی از روش های مناسب برای کاهش نیروهای اینرسی زلزله می باشند. ایده اصلی در سیستم های بافلها، کاهش فرکانس سازه و رساندن آن به مقداری کمتر از فرکانس های حاوی انرژی غالب زلزله می باشد. بافل های نصب شده درون مخازن آب می تواند در زمان زلزله مقدار قابل توجهی از شتاب زلزله را در بدنه و تاج مخزن کاهش دهند.روش پژوهش: برای بررسی تاثیر دیواره های قائم و افقی نصب شده در مخازن ذخیر آب، با بکار گیری مدل عددی انسیس فلوئنت، جریان اب درون مخازن شبیه-سازی شد. دو تیغه ی قائم و افقی برای این هدف طراحی شد. برای کاهش خطای اندازه مش در حل معادله جریان آب، از دو نوع مثلث و مربعی با سازه های مختلف استفاده شد. در نهایت به ازای شبیه سازی مدل عددی با در نظر گرفتن مش های مختلف، خطای مش در محاسبات برآورد شد. همچنین برای راستی آزمایی مقادیر و نتایج بدست آمده از مدل عددی، مقادیر ارتفاع موج در مخزن در حالت بدون دیواره ی افقی با مطالعه های گذشته مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت. بنابراین، با افزایش شتاب زلزله در مدل عددی، مشخصات جریان به ازای شرایط مختلف مدل سازی عددی مورد بررسی قرار داده شد. جابجایی تاج مخزن و همچنین پارامتر بیشینه تنش برشی دیواره ها در تاج مخازن در مدل های عددی برآورد. همچنین مقدار شتاب در نقاط مختلف مخزن در زمان زلزله در گذر زمان از مدل عددی در حالت با و بدون دیواره استخراج شد. همچنین بعضی از پارامترهای هیدرولیکی در جهت مقایسه بین مدل حالت های وجود دیواره و عدم وجود دیواره استخراج شد و از جمله این پارمتر ها می توان به ارتفاع موج در طول زمان اشاره نمود. یافته ها: مقایسه ها بین مدل عددی انجام شده و مطالعات آزمایشگاهی گذشته نشان داد که مدل عددی ارایه شده در تحقیق حاضر دارای خطای محاسباتی قابل قبولی است و ارتفاع موج تشکیل شده در آزمایش های بدون دیواره در طول زمان در مخزن در زمان زلزله، دارای همخوانی قایل قبولی با مدل های آزمایشگاهی می-باشد. همچنین نتایج بررسی مش بندی نشان داد که مش مربعی دارای خطای کمتری نسبت به مش مثلثی می باشد و با کاهش اندازه ی این مش، مقدارمتوسط 2/11 درصد، خطا کاهش پیدا خواهد کرد. علاوه بر این، نتایج تحلیل مش نشان می دهد که خطای مش مربع در مقایسه با شکل مثلثی تقریباً 11.2 درصد است. بنابراین مش مربعی به عنوان مش مورد نظر در جهت حل معادله جریان آب در مدل عددی در نظر گرفته شد. نتایج اولیه دیواره های نصب شده افقی و قائم درون مخازن نشان داد، به ازای حضور دیواره ها تلاطم آب درون مخزن در زمان زلزله به صورت چشمگیر کاهش پیدا خواهد کرد. همچنین پارامترهای از جمله جابجایی دیواره مخزن و تنش موجود در دیواره ها و شتاب مایع درون مخزن به صورت چشم گیری در طول زمان کاهش پیدا خواهند کرد. همچنین نوسانات این پارامتر ها در طول زمان کاهش پیدا خواهند کرد. نتایج نشان می دهد که تجهیز کردن مخازن به دیواره ای قائم وافقی تاثیر چشمگیری در بالابردن ضریب ایمنی دیواره مخازن آب دارد. همچنین تانک-های آب با دیواره های قایم نسبت به دیواره های افقی میزان جذب انرژی بیشتری را دارند و تاثیر این دیواره بر کاهش ارتفاع امواج درون مخزن و همچنین تاثیر کاهنده بیشتری در میزان جابجایی در مخزن در زمان زلزله را دارد.نتیجه گیری: نتایج مدل عددی کالیبره شده با داده های آزمایشگاهی نشان داد، مخزن مجهز به بافل قائم نیروی کنترلی و میرایی بیشتری نسبت به بافل افقی ایجاد می کند و عملکرد مناسبتری نسبت به دیوارهای افقی دارد و تلاطم سطح سیال مایع و به طبع فشار وارد به دیواره را کاهش می دهند. در نهایت به ازای افزایش ارتفاع آب در مخازن، می توان بیان نمود که میزان جذب انرژی توسط دیواره قائم و همچنین دیواره افقی نسبت به آزمایش های با ارتفاع کمتر آب، بیشتر است. همچنین مقایسه ها در طول زمان برای مقادیر عددی استخراج شده از مدل برای مقادیر جابجایی، تنش برشی و همچنین شتاب ایجاد شده در مایع در طول زمان در مدل های با دیواره نصب شده به مراتب در زمان کمتری به حالت اولیه بر می گردند در حالی که مدل های بدون دیواره زمان زیادی برای برگشت به حالت ایمن اولیه نیاز دارند. کلید واژه: مخزن ، موج زلزله، استهلاک انرژی، نیروی هیدرودینامیک، مدل عددی
Background and Aim: Tanks structures must maintain their applications after large earthquakes, and on the other hand, these structures must behave in a way that does not cause damage during an earthquake. Therefore, the application of the baffles is one of the suitable methods to tackle with earthquake inertial forces. The main idea in baffle systems is to reduce the frequency of the structure and bring it to a value less than the frequencies containing the dominant earthquake energy. Baffles installed inside water tanks can reduce a significant amount of earthquake acceleration in the body and crest of the tank during an earthquake.Method: In order to investigate the effects of the vertical and horizontal plates adjusted through the reservoir tanks, the flow characteristics were simulated by employing the CFD (Ansys Fluent). Two vertical and horizontal plate were designed for this purpose. To decreasing the error of mesh sizes, the different mesh sizes with different types of the meshes were employed and the results of the simulation were compared together to find out the suitable mesh geometry. Moreover, to validate the numerical model, the height of the water waves was compared by the past literature to make sure of the suitable numerical model. Thus, by increasing the earthquake accelerin in the numerical model, the flow properties were investigated according to the different conditions of the numerical modeling.. Displacement and shear stress at the top of the tanks were measured through the numerical models due to different tests condition in controlled and uncontrolled statuses. Furthermore, the conducted acceleration through the tank liquid was measured over the time for different numerical models. Some hydraulic parameters were considered for comparison through the discussion section such as water surface elevation so these parameters were extracted from the numerical results by the software advices. Results: The comparison between numerical results and past studies indicated that the presented numerical model has acceptable error and the elevation of the water waves through the tanks has good agreement with experimental pasts models through the literatures. Furthermore, the results of the mesh analysis showed that the error of the square mesh is approximately 11.2 percent compared to the triangular shape. As a result, the squire mesh with less sizes were considered to solve the flow’s equation through the numerical model. The initial results of the vertical and horizontal baffles illustrated that presence of the baffles can significantly reduce the fluctuation of the displacement, shear stress and liquid acceleration over the time. And the agitations of tests function over the time were tended to the less values compared by the initial time. The results indicate that equipping the tanks with baffle systems has a good performance on safety and improving the dynamic behavior of the tanks and this approach has a significant effect on the displacement and acceleration responses of the studied tank. Tanks with vertical baffles will perform better due to higher energy absorption. Also, as the water depth in the reservoir increases, the amount of energy dissipation for the reservoirs were decreased.Conclusion: The results of the numerical model calibrated with experimental data showed that the tank equipped with the vertical baffle produces more control force and damping than the horizontal baffle and has a better performance than the horizontal walls, furthermore, they reduce the pressure on the wall. Also, the results indicate that equipping the tanks with baffle systems can increase the safety through the tanks and improving the dynamic behavior of the tanks. Finally, the tanks with vertical baffles had better perform to absorption of the energy. Also, as the water depth in the reservoir increases, the amount of energy dissipation for the reservoirs were decreased. Comparison over the time among the extracted data from numerical model showed that due to passed time, the fluctuation of the investigated parameters such as displacement and shear stress of the top of the tank attained less values which can show that the controlled tank has much stability along the earthquakes.
Aghayari, J., Salehzadeh, D. (2020). Dynamic modeling and identification of turbines of Abbaspour hydropower plant based on field tests. Journal of Dam and Hydroelectric Power Plant. 7 (25), 773-763. [In Persian].
Hosseini, S., Hosseini, N. (2018). Numerical Modeling of Underground Explosion and Response of Buried Structures using Coupled Eulerian-Lagrangian Method. Advanced Defense Sci.& Technol. 2018, 04, 325-336. [In Persian].
Roozbahani, F., Hejranfar, K. (2018). Numerical Simulation of Wave-Floating Bodies Interaction Using a Truly Incompressible SPH Method with Artificial Compressibility Approach. Journal of Solid and Fluid Mechanics. 8 (1),241-252. [In Persian].
Chan, R. K. C., & Street, R. L. (1970). A computer study of finite-amplitude water waves. Journal of computational physics, 6 (1), 68-94.
Colagrossi, A., & Landrini, M. (2003). Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics. Journal of computational physics, 191 (2), 448-475.
Guan, Y., Yang, C., Chen, P., & Zhou, L. (2020). Numerical investigation on the effect of baffles on liquid sloshing in 3D rectangular tanks based on nonlinear boundary element method. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 12, 399-413.
Haroun, M. A. (1983). Vibration studies and tests of liquid storage tanks. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 11 (2), 179-206.
Harlow, F. H., & Welch, J. E. (1965). Numerical calculation of time‐dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The physics of fluids, 8 (12), 2182-2189.
Hirt, C. W., & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics, 39 (1), 201-225.
Housner, G. W. (1963). The dynamic behavior of water tanks. Bulletin of the seismological society of America, 53 (2), 381-387.
Issa, R. (2005). Numerical assessment of the smoothed particle hydrodynamics gridles method for incompressible flows and its extension to turbulent flows. The University of Manchester (United Kingdom).
Ketabdari, M. J., Saghi, H., & Rezaei, H. (2010). Comparison of staggered and collocated grids for solving Navier-Stokes equations. In 5th National Congress on Civil Engineering.
Liu, D., & Lin, P. (2008). A numerical study of three-dimensional liquid sloshing in tanks. Journal of Computational physics, 227 (8), 3921-3939.
Martin, J. C., Moyce, W. J., Penney, W. G., Price, A. T., Thornhill, C. K. (1952). Part IV. An experimental study of the collapse of liquid columns on a rigid horizontal plane. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 244 (882), 312-324.
Monaghan, J. J. (1992). Smoothed particle hydrodynamics. Annual review of astronomy and astrophysics, 30 (1), 543-574.
Monaghan, J. J., & Kos, A. (1999). Solitary waves on a Cretan beach. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 125 (3), 145-155.
Morris, J. P., Fox, P. J., & Zhu, Y. (1997). Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH. Journal of computational physics, 136 (1), 214-226.
Shao, S., & Gotoh, H. (2005). Turbulence particle models for tracking free surfaces. Journal of Hydraulic Research, 43 (3), 276-289.