مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ترکیب مدل‌های حجم سیال و دوسیالی در مطالعه عددی جریان دوفازی روی سرریز پلکانی هوادهی شده

نویسندگان
دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در مقاله حاضر جریان دوفازی آب و هوا روی سرریز پلکانی در حالت دو بعدی، تراکم ناپذیر و ویسکوز شبیه‌سازی شده است. بدین منظور از یک مدل عددی جدید با توانایی‌های بالا استفاده شده است که ترکیبی از دو مدل پایه می‌باشد؛ مدل حجم سیال (VOF) که از یک الگوریتم تعقیب سطح مشترک برای مدلسازی جریان دوفازی استفاده می‌کند و مدل دو سیالی که بر اساس معادلات متوسط گیری شده مکانی و زمانی بوده و نمی‌تواند سطح مشترک را به خوبی بازسازی نماید. مدل حاضر کاستی‌های هر دو مدل را مرتقع و نتایج را با دقت بالا ارائه می‌دهد. مسئله اساسی در مدل ترکیبی، انتخاب یک معیار مناسب جهت تغییر وضعیت بین دو مدل پایه است. این معیار بر اساس تخمینی از پراکندگی موضعی سطح مشترک در هر سلول می‌باشد. روش تدوین شده عددی در کار حاضر برای مطالعه تاثیر هوادهی در سرریز پلکانی، حفره‌هایی را در لبه بالایی پله‌ها بکار گرفته و مکش هوا و تاثیر آن بر توزیع جریان را بررسی نموده است.. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد در قسمت ابتدایی پلکان میزان پراکندگی پایین بوده و مدل ترکیبی بیشتر از مدل VOF بهره می‏برد اما در پلکان‌های پایین که جریان پراکنده می‌شود مدل دوسیالی جایگزین می‌گردد. نتایج حاصل از مدل ترکیبی با ارائه کانتورهای کسر حجمی، فشار، سرعت و خطوط جریان با نتایج حاصل از مدل دوسیالی مقایسه شده است. مقایسه نتایج با یکدیگر نشان داده است که مدل ترکیبی نسبت به مدل پایه، با نتایج آزمایشگاهی انطباق بیشتری داشته و نتایج فیزیکی واقعی‌تری ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Coupling of the VOF and the two-fluid models for the numerical investigation of aerated stepped spillway

نویسندگان English

mohamadreza ansari
Mahdi Esmailpour
-
چکیده English

In the current study, two-phase flow of water and air over a stepped spillway is probed in the form of a two-dimensional incompressible viscous flow. A novel numerical approach is used for the numerical simulation which is a combination of two models: volume of fluid (VOF) which uses an interface tracking algorithm for the simulation of the two-phase flow and two-fluid model which is based on time and space averaged equations and cannot track the interface explicitly. The most important issue in the introduced approach is to couple the two basic methods and select a proper criterion for status change between two basic methods. The latter criterion is based on an approximation from local distribution of the interface at each cell. In the hybrid method. In order to investigate the aeration effect in the stepped spillway, the air suction is generated by designing some holes at the upper edge of the steps and considering atmosphere pressure for these areas. The obtained results divulge the amount of dispersion is low at the beginning part of the step and also the hybrid model take more advantages from VOF, while in the lower steps where the flow disperses two-fluid model has hegemony. The results are compared in the form of pressure contours and streamlines as well as volume fraction counters. The comparison shows that the results of the proposed method is closer to the experimental results with respect to each of the basic model.

کلیدواژه‌ها English

Aerated Stepped Spillway
Two phase flow
Hybrid Method
Two-fluid model
VOF
7- مراجع
[1] A. Attarzadeh, A.R. Zarrati, A. Shanehsazzadeh, Flow Condition at Sudden Slope Change of Chutes, Modares Civil Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 81-90, 2012. (in Persianفارسی )
[2] C. Chafi A. Hazzab, Study of flow and energy dissipation in spillways, Journal of Civil Engineering, Vol. 4, No. 1, pp.78-88, 2010.
[3] I. Meireles, J. Matos, Skimming flow in the non aerated region of stepped spillways over embankment dams, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135, No. 8, pp. 685-689, 2009.
[4] C. Gonzalez, H. Chanson, Hydraulic design of stepped spillways and downstream energy dissipators for embankment dams, Journal of Dam Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 223–244, 2007.
[5] S. Ghafari, A. Eghbalzadeh, M. Javan, Numerical study of the effect of upstream Froude number on the flow characteristics along a rectangular sharp-crested side weir, Modares Civil Engineering, Vol. 16, No. 2, pp. 215-228, 2016. (in Persianفارسی )
[6] S.R. Sabbagh-Yazdi, H. Rezaei-Manizani, Using depth average flow solver of NASIR finite volume software for modeling air entrainment from water surface in chute flow, Modares Civil Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 33-45, 2012. (in Persianفارسی )
[7] Q. Chen, D. Guang-qing, Three-dimensional turbulence numerical simulation of a stepped spillway overflow, Journal of Hydrodynamics, Vol. 16, No. 1, pp. 74-79, 2004.
[8] M. Azhdari Moghadam, E. Jafari Nadoushan, Hydraulic design of a trapezoidal labyrinth spillway using computational hydrodynamics, Modares Civil Engineering, Vol. 13, No. 3, pp. 123-134, 2012. (in Persianفارسی )
[9] M. Farhoudi, A. Salehi Neyshabouri, A. Safarzade, Two-phase numerical simulation of flow pattern in three-sided spillways, considering scale effect, Modares Civil Engineering, Vol. 16, No. 4, pp. 247-258, 2016. (in Persianفارسی )
[10] A. Daramizadeh, M. Ansari, 2-D numerical simulation of underwater explosion near free surface of shallow water, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 5, pp. 39-48, 2013. (in Persianفارسی )
[11] M. Bonizzi, R. Issa, A model for simulating gas bubble entrainment in two-phase horizontal slug flow, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 29, No. 5, pp. 1685-1717, 2003.
[12] M. Emamzadeh, R. I. Issa, One-dimensional model for numerical simulation of annular flow in horizontal and vertical pipes, Multiphase Science and Technology, Vol. 25, No. 1, pp. 25–56, 2013.
[13] G. Cerne, S. Petelin, I. Tiselj, Coupling of the interface tracking and the two-fluid models for the simulation of incompressible two-phase flow, Journal of Computational Physics, Vol. 171, No. 2, pp. 776–804, 2001.
[14] Y. S. Olabanji, K. E. Wardle, Numerical investigation of vertical plunging jet using a hybrid multifluid–VOF multiphase CFD solver, International Journal of Chemical Engineering, Vol. 34, No. 3, pp. 125-139, 2015.
[15] K. Yan, C. Defu, A coupled model for simulation of the gas–liquid two-phase flow with complex flow patterns, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 36, No. 4, pp. 333–348, 2010.
[16] M. R. Ansari, M. Esmailpour, Comparison of the VOF and the two-fluid models for the numerical simulation of aeration and non aeration stepped spillway, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 11, under press, 2017. (in Persianفارسی )
[17] M. Zeynalabedini, M. R. Ansari, Numerical modeling of air bubbles entrainment in liquid slug body at Horizaontal duct, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 177-187, 2017. (in Persianفارسی )
[18] F. Tocci, Assessment of a Hybrid VOF Two-Fluid CFD Solver for Simulation of Gas-Liquid Flows in Vertical Pipelines in OpenFOAM, PhD Thesis, Polytechnic University of Milan, Italy, 2015.
[19] M. Zeynalabedini, M. R. Ansari, Evaluation of the slug flow parameters in a horizontal two-dimensional duct, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 4, pp. 349-358, 2017. (in Persianفارسی )
[20] Z. Qian, X. Hu, W. Huai, A. Amador, Numerical simulation and analysis of water flow over stepped spillways, Science China Technological Sciences, Vol. 52, No. 7, pp. 1958–1965, 2009.