کاهش تلاطم در مخازن آب با دیواره‌های قایم و افقی با استفاده از مدل عددی انسیس
الموضوعات :
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.
الکلمات المفتاحية: مخزن, استهلاک انرژی, مدل عددی, نیروی هیدرودینامیک, موج زلزله,
ملخص المقالة :
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
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.
