چکیده:
احداث سدهای مرتفع، انرژی پتانسیل بسیار بالایی را در هنگام سیلاب بوجود میآورد. این انرژی پتانسیل با لبریز شدن از سرریزها، تبدیل به انرژی جنبشی گردیده، لذا سرعت بسیار بالایی بر روی سازه سرریز ایجاد میکند. معمولا هنگامی که سرعت جریان در قسمتی از یک سازه هیدرولیکی مانند تنداب سرریزها از یک حد مجاز فراتر رود، آن سازه در معرض خسارت ناشی از خلاءزایی قرار میگیرد. زمانی که پدیده خلاءزایی رخ میدهد، حبابها یا حفرههای کوچک حاصل از خلاءزایی با جریان آب به منطقه پایین دست که دارای فشار بالاتری میباشد، میرسد. در اثر افزایش فشار حبابهای فوق بطور ناگهانی منهدم میشوند. در صورتی که حبابها در نزدیکی سطح بتن منهدم گردند، باعث تخریب سرریز خواهند شد. خلاءزایی بطور معمول در کف تنداب و یا دیوارههای کناری سرریز رخ داده و موجب خساراتی در سطح بتن خواهد شد. اهمیت حفاظت از سازه سرریز در سدهای بلند باعث شده است تا محققان در دهه اخیر رو به روشهای دقیق آورده که دقیقترین روش موجود روش های عددی میباشند. لذا در این تحقیق اثر شرایط هیدرولیکی متفاوت بر توزیع سرعت و فشار روی سرریز اوجی سد بالارود به منظور بررسی پدیده کاویتاسیون و جانمایی محلهای مستعد خلاءزایی مورد پژوهش قرار گرفت و بدین منظور از مدل Flow-3D که نرم افزاری توانمند در شبیه سازی آشفتگی جریان به صورت دو و سه بعدی است، استفاده شد و پس از شبیه سازی نتایج بدست آمده با نتایجی که از تحقیقات مشابه محققین دیگر بدست آمده، مقایسه شد و مطابقت خوبی داشت. نتایج نشان داد که با افزایش شدت جریان، سرعت و فشارهای منفی، احتمال خلاءزایی بیشتر می شود.

کلمات کلیدی: سرریز اوجی، سد بالارود، سرعت جریان، خلاءزایی، مدل Flow-3D

-۱ مقدمه:

امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی سدسازی، امکان ایجاد سدهای بلند، بر اساس نیاز، فراهم گردیده است. هر سد از تعداد زیادی سازه جانبی تشکیل شده است که یکی از مهمترین آنها سرریزها میباشند. سرریزها و تندابها از جمله سازه های هیدرولیکی مهمی هستند که در پایداری سدها نقش اساسی را ایفا مینمایند. مهمترین عاملی که ممکن است پایداری سرریزها را به خطر بیاندازد پدیده خلاءزایی میباشد. به دلیل ارتفاع زیاد، جریان روی سرریزها و تندابها دارای سرعت زیادی می شود. برجستگیها و قوسها و ناصافیهای سطوح بتنی که بهنگام ساخت سد و یا پس از آن ایجاد میگردد، باعث ایجاد انحراف خطوط جریان و کاهش فشار در بعضی نقاط میگردد که چنانچه این کاهش فشار در ازاء افزایش سرعت باشد شرایط آستانه یا آغاز خلاءزایی (خوردگی) پیش خواهد آمد. کاویتاسیون فرآیندی است که معمولاً با خرابشدگی سطوح همراه بوده و یا با ایجاد یک صدای شدید مشخص میشود. هر دو پدیده فوق ممکن است در اثر کاویتاسیون اتفاق بیافتد ولی کاویتاسیون هیچکدام از آنها نیست. به طور کلی کاویتاسیون به صورت رخداد شکلگیری حباب یا حفره در یک مایع تعریف میشود. در

جریان آب اگر این حفرات با بخار آب پر شده باشند، کاویتاسیون بخاری و اگر با گاز دیگری پر شده باشند، کاویتاسیون گازی

۱

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18 &19 December 2013, Tabriz , Iran

صورت میگیرد. جریان کاویتاسیون طبق تعریف دارای دو فاز مایع و بخار می باشد. قسمت غیرمایع در کاویتاسیون میتوان در یک نقطه ثابت و یا به شکل حبابهای در حال حرکت باشد. اکنون محققان به این نتیجه رسیدهاند که انفجار حباب های در حال حرکت باعث خوردگی میشود. با بحرانی شدن کاویتاسیون در یک نقطه حبابهای در حال حرکت به پایین دست محل کاویتاسیون کشیده میشوند در این حالت اصطلاحاً سوپر کاویتاسیون و کاویتاسیون توسعه یافته اتفاق میافتد.

مشاهده محققان نشان می دهد که قبل از دیده شدن کاویتاسیون، معمولاً در یک محدوده کوچک از جریان، انبوهی از حبابهای ریز به چشم میخورند که از آنان به عنوان هسته کاویتاسیون یاد میشود. این حبابها در ایجاد کاویتاسیون نقش مهمی را ایفا میکنند و تئوری کاویتاسیون بر اساس وجود این حبابها شکل میگیرد. تجربه سه دهه اخیر نشان میدهد که مؤثرترین و اقتصادیترین روش برای جلوگیری از کاویتاسیون، هوادهی است. وجود هوا در مجاورت مرزهای صلب، باعث کاهش تخریب میگردد. در صورتی که هوادهی طبیعی برای تأمین مقدار لازم هوا در محل موردنظر کافی نباشد، میتوان از سازه سادهای بنام هواده استفاده کرد و اما پیش از آن باید محل هایی که احتمال خلاء زایی در آنها وجود دارد شناسایی شوند. تعیین محل دقیق خلاءزایی و کاویتاسیون در نواحی مختلف سرریز، یکی از مواردی است که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموه است. از این رو در این پایان نامه پدیده کاویتاسیون با توجه به اندازه گیری پارامترهای تاثیر گذار از جمله سرعت و فشار در ناحیههای مختلف سرریز سد بالارود و تعیین محلهایی که بیشترین پتانسیل خلاءزایی و تخریب را دارد، مورد بررسی قرار گرفته و با توجه به اینکه تا کنون کمتر تحقیقی در این باره و با استفاده از مدلهای پیشرفته دینامیک صورت گرفته است، به نظر میرسد این تحقیق میتواند در این مسیر مورد استفاده Flow-3Dسیالات محاسباتی از جمله زیادی قرار گیرد

-۲ پیشینه تحقیق:

یکی از خطراتی که همواره سرریز سدها را تهدید می کند، کاویتاسیون می باشد که ناشی از آثار هیدرودینامیکی سرعتهای زیاد در سازه است. وجود هوا در میان جریانهایی که سرعت زیاد دارند می تواند از خطرات خلاء زائی جلوگیری نموده و یا آن را کاهش دهد.

تا به حال خسارات شدید کاویتاسیون بوسیله سرریزهای بزرگ در سراسر دنیا کشف گردیده است که شامل روسیه، پاکستان، ونزوئلا و بخصوص ایران است. در ایران کاویتاسیون به یک قسمت بزرگ از سرریز سد کارون ۱ خسارت وارد کرده است. از این رو بسیاری از مطالعات و تحقیقات مربوط به کاویتاسیون در روی اندازه های مختلف مدل ها و نمونه های اصلی، در حال انجام شدن و کامل شدن است. از جمله مواردی که خلاءزایی موجب تخریب سرریز شده است. میتوان به سد کارون یک در ایران (۱۹۹۱) و سدٌ در آمریکا (۱۹۹۱) اشاره کرد. چانسون((۱۹۹۹، نشان داد که ۴ تا ۹ درصد غلظت هوا در مجاورت کف سرریز می تواند از صدمات خلاء زایی روی سطوح بتن ممانعت به عمل آورد و کاهش سرعت جریان و در نتیجه افزایش عمق جریان هر دو در ریسکهای کمتر خلاء زایی سهیم هستند زیرا شاخص خلاء زایی افزایش می یابد. تقی زاده و همکاران (۱۱۹۱)، مسئله بروز کاویتاسیون در چرخ توربینهای فرانسیس سد شهید عباسپور را با استفاده از شبیه سازی عددی جریان، مورد بررسی قرار دادند. بهرامی و همکاران (۱۱۹۱)، به بررسی عوامل موثر در هوادهی و نقش هوادهها در جلوگیری از کاویتاسیون در سرریز سدها پرداختند. ایشان به منظور شبیه سازی جریان از روی شوت و تعیین پارامتر غلظت هوا در کف شوت از نرم افزار Flow-3D استفاده نمودند. نتایج به دست آمده در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی از تطابق خوبی برخوردار بودند.

۱ – Glen Canyon

۲

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18 &19 December 2013, Tabriz , Iran

-۳ علت کاویتاسیون :

این پندار که کاویتاسیون فقط به دلیل نامنظمی سطوح روی سازه های هیدرولیکی صورت میگیرد درست نیست. کاویتاسیون میتواند به علت تنگشدگی مقطع لوله در سیستمهای تحت فشار اتفاق بیافتد. همچنین ممکن است در بازگشت موج حاصل از پدیده چکش آبی (ضربه قوچ) در هنگامی که فشار پیزومتریک درون لوله از فشار اتمسفر کمتر میشود، کاویتاسیون دیده شود. از دیگر مواردی که باعث کاویتاسیون میشود جریانهای برشی است جتهای مستغرق نمونه این جریانها میباشند. جریان برشی بین یک جت جریان با سرعت بالا و جریان ساکن اطراف آن بوجود میآید کاویتاسیون هنگامی رخ میدهد که جت نزدیک سطح باشد. تحقیقات در زمینه کاویتاسیون حاصل از جریانهای برشی بسیار جدید می باشد و این مبحث زمینهای مناسب برای انجام تحقیقات است.

-۳-۱ خرابی ناشی از کاویتاسیون:

هنگامی که کاویتاسیون به علت نامنظمی سطح بوجود میآید خرابی ناشی از کاویتاسیون در پایین دست دسته حباب های در حال انفجار بوجود میآید. بعد از مدتی از شروع کاویتاسیون یک حفره طولی روی سطح بتن بوجود میآید با گذشت زمان حفره به وسیله ضرباتی که توسط حباب های کوچک بر انتهای آن وارد میشود بزرگتر میگردد. بدین تریتب که از اختلاف فشار در اطراف سنگدانه های بتن و شکافهایی که در زمان عملاوری بتن در اثر تغییرات دما حاصل شدهاند باعث جداشدگی سنگدانهها و مواد سیمانی و انتقال آنها بوسیله جریان میشود. این فرآیند را میتوان فرسایش نامید که البته مستقیماً به از بین رفتن مواد توسط کاویتاسیون اطلاق نمیشود بلکه به مراحل ساییدگی، حل شدن و انتقال ذرات بتن گفته میشود. با ادامه یافتن این فرسایش آرماتورها بیرون میآیند. تکان خوردن این میلهها در اثر جریان باعث وارد شدن صدمه (در اثر بخورد آنها با کف) به کف میشود.

-۳-۲ فاکتورهای مؤثر در خرابی کاویتاسیون روی یک سطح :

وقتی که جریان با سرعت زیاد از روی یک سطح عبور میکند، برای سطح، پتانسیلی که نشان دهنده خرابی حاصل از کاویتاسیون است محاسبه میشود. فاکتورهای مختلفی در این پتانسیل مؤثر هستند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود: