توضیحات
پروژه شبیه سازی شکست سد در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Dam Break in ANSYS FLUENT
شکست سد:
هرگونه خرابی جزئی یا کلی در بدنه سد که به طور ناگهانی منجر به رهاسازی حجم غیر قابل کنترلی از آب شود، شکست سد(dam break) نامیده می شود. روش های مختلفی برای ساز و کار شکست سدها وجود دارد، از طرفی مکانیزم شکست سد بستگی به نوع سد دارد، لذا سازوکار شکست سدهای خاکی و بتنی از هم متفاوت می باشد. شکست سد می تواند به علت سرریز شدن آب از روی سد (Over Topping) به دلیل ناتوانی ظرفیت تخلیه سریز، تراوش، پدیدهی ایجاد لوله در بدنه ی سد (Piping)، لغزش شیب خاکریز، اثر زلزله و روانگرایی سدهای خاکی، ایجاد موج ضربه در اثر ورود تودهی لغزشی به داخل مخزن و یا در اثر خرابکاری صورت گیرد. افزایش روز افزون تعداد سدهای بزرگ با ابعاد عظیم گرچه از نظر اقتصادی، اجتماعی و سیاسی برای جوامع بشری از منافع حیاتی برخوردار است ولیکن در صورت بروز حوادث ناگوار و از جمله شکستگی سدها و رها شدن ناگهانی توده عظیم آب انبار شده در پشت سدها که هرگز با وقوع دبی های سیلابی و پیش بینی شده معمولی قابل مقایسه نمی باشد، در پایین دست سد می تواند خطرات جانی و مالی فراوانی را ایجاد نماید. شکست سد از پدیده هایی است که به دلیل وارد نمودن خسارت های جانی، مالی، زیست محیطی و اجتماعی، علیرغم مطالعات متعدد انجام شده توسط سایر محققین، هنوز دارای اهمیت تحقیقاتی فراوان می باشد. شکست سد همواره به عنوان یک حادثه با مخاطرات فوق العاده تلقی می شود. ارزیابی درجه خطرپذیری مناطق پایین دست به پارامترهای متعددی از قبیل زمان فرار، عمق و سرعت جریان بستگی دارد. مطالعات شکست سد در تحقیقات دانشگاهی، برنامه ریزی درست و سرمایه گذاری پایاب سدها اهمیت دارد. با نگرش کوتاه و اجمالی بر تعداد سدهای بزرگ ساخته شده در سطح جهانی و تعداد شکستگی های به وقوع پیوسته، احتمال خطر شکستگی هر سد در سال حدود 4- 10 تخمین زده میشود. گرچه این احتمال ضعیف می نمایاند وليكن نادیده گرفتن آن نیز با توجه به اهمیت مسأله و تجارب تلخ عینی غیر معقول و غیر منطقی خواهد بود. علیرغم اعمال ضریب اطمینان بالا در طراحی و ساخت سدها احتمال خطر شکست آنها همانند سایر تأسیسات ساخت بشر منتفی نبوده بلکه تجارب عینی از بروز این گونه حوادث در طول تاریخ هیدرولیک حکایت می کند. پیشروی امواج ناشی از جریانهای سیلابی سهمگین در دره پایین دست محل شکستگی سدها و گسترش آنها در دشت های مجاور، خسارت های جانی و مالی فراوانی را به همراه دارد. تا قبل از سال ۱۹۵۰، درصد سدهای شکسته شده در سراسر دنیا برابر با 1.2 درصد بود. این مقدار پس از سال ۱۹۵۰ به 0.3 درصد کاهش یافت. با توجه به حوادث تلخی چون شکست سد بتنی آستین در سپتامبر ۱۹۱۱ در آمریکا بر اثر روگذری با ۷۸ نفر کشته و ۸۸ میلیون دلار خسارت مالی و شکست سد بتنی قوسی مالپاست در دسامبر ۱۹5۹ در فرانسه به دلیل بدندی سد با 4۲۱ نفر کشته بررسی مسئله شکست سد ضروری است.
شکل شکستگی سد با توجه به نوع سد و عامل تخریب کننده متفاوت می باشد، سرریز شدن آب از بالای سد (Over Topping) از مهمترین شکل های شکست سد است، که در سدهای خاکی با ایجاد یک رخنه کوچک ایجاد شده و در طول زمان شکست سد افزایش می یابد و در نهایت موجب خرابی کامل سد خواهد شد. شکل دیگر شکست سد ایجاد حفره (Piping) در بدنه سد می باشد که با گذشت زمان و افزایش قطر حفره به تاج سد می رسد. این دو شكل شکست سد بیشتر در سدهای خاکی رخ می دهد. در سدهای بتنی وزنی خرابی سد شبیه سدهای خاکی می باشد با این تفاوت که تخریب سد مرحله به مرحله در بلوک های مجزای بتنی که در هنگام ساخت در سد تعبیه شده است صورت می گیرد. در سدهای بتنی قوسی با توجه به نوع سازه این سدها، شکست سد به صورت آنی است و تقریبا تمام سازه سد در یک زمان تخریب می گردد و به همین دلیل می باشد که حداکثر دبی خروجی از این نوع سدها به انواع دیگر سدها افزایش قابل ملاحظه ای دارد.
سیلاب ناشی از شکست هیدرولیکی سد:
در اثر خرابی سد، حجم زیادی از آب به صورت ناگهانی در رودخانه جاری می شود. ساده ترین حالت برای این منظور موقعی است که شیب بستر و مقاومت قابل صرف نظر کردن بوده و کانال مستطیلی فرض گردد که در این صورت مشابه حالتی است که در مسیر کانال یک دریچه قائم و در بالادست آن حجمی از آب ساكن وجود داشته باشد. سیلاب ناشی از شکست سد از نوع جریانهای غیردائمی می باشد. جریان غیردائمی عبارت است از جریانی که در یک مقطع، عمق با دبی و یا هر دو، در اثر تغییرات زمانی تغییر نماید و این تغییر می تواند در اثر عوامل طبیعی، موارد برنامه ریزی شده و یا حوادث اتفاقی باشد و از امواج نوسانی و جزر و مد اقیانوس ها تا سیلاب حاصل از شکست سدها را شامل می شود.
در مسئله شکست سد به جهت وجود سازه ها و تاسیسات حساس در پایین دست آنها و در کناره های رودخانه نظیر نیروگاه های اتمی و یا موارد مشابه، حتی اگر احتمال اتفاق بسیار هم ناچیز باشد می بایست با دقت کامل تحت مطالعه و بررسی قرار گیرد و به همین ترتیب محاسبه تغییرات ارتفاع آب در رودخانه و در اثر حرکت موج سیلاب جهت بررسی امکان غرقاب شدن مناطق شهری و مسکونی اطراف رودخانه اهمیت خاصی دارد.
مدلسازی شکست هیدرولیکی سد:
مطالعه سازه های هیدرولیکی و بررسی پدیده های جریان در شرایط طبیعی و موجود، بسیار پیچیده، زمان بر و پر هزینه است. به طور کلی چهار روش در مطالعات مربوط به سدها متداول می باشد:
1- مشاهدات صحرایی و تجربیات که اندوخته با ارزشی برای مهندسین و محققین می باشد. از آنجا که دانش انسان در مورد بسیاری از پدیده های موجود در طبیعت ناقص است، تجربیات و مشاهدات صحرایی برای تحلیل علت پدیده ها و تفسیر آنها مفید خواهد بود و از سوی دیگر پارامترهای تجربی موجود در روابط و معادلات هیدرولیک نیز به این تحقیقات و بررسی ها قوت می بخشد.
۲- مدل های فیزیکی از ابزارهای مناسبی جهت مشاهده، تحقیق و بررسی پدیده های مختلف در هیدرولیک می باشد. استفاده از تجهیزات مناسب اندازه گیری و مشاهده الگوی جریان، مقایسه سرعت ها در نقاط مختلف و تجزیه و تحلیل مقادیر آنها برای پیشگویی و رسیدن به یک رابطه کلی حائز اهمیت است.
۳- روش های عددی و مدل های ریاضی در تحلیل هیدرولیک شکست سد که با رشد و پیشرفت کامپیوترها کاربرد فراوانی یافته اند و نتایج قابل قبولی از آنها بدست می آید، به طوری که در بسیاری از موارد مدل های کامپیوتری به جای روش های دیگر استفاده می شود.
بررسی پدیده شکست سد و آمادگی در مقابل عواقب احتمالی آن، هر روز بیش از پیش اهمیت می یابد. شکست سدها تبعات مخرب زیادی به دنبال دارد. علاوه بر خطرات جانی که ساکنین نواحی پایین دست سد را تهدید می کند، سیلاب ناشی از شکست سد خسارات اقتصادی شدیدی را بر تأسیسات و ابنیه موجود در مسیر حرکت خود تحمیل می کند. هر چند سدها با در نظر گرفتن ضوابط و معیارهای ویژه و دقیق طراحی می شوند لیکن با توجه به تدریجی بودن گسترش دامنه دانش بشر، همواره احتمال شکست و تخریب کلی یا جزئی این سازه های عظیم وجود دارد. ماهیت غیر قابل پیش بینی طبیعت، احتمال وقوع سیلاب های با دوره بازگشت بالا و همچنین زمین لرزه های شدید در اطراف مخزن سد از عواملی هستند که بر لزوم بررسی پدیده شکست سد و تحلیل تبعات آن می افزایند.
دینامیک سیالات محاسباتی:
در سال های اخیر نوشتن برنامه های کامپیوتری و کدهای تجاری برای تحلیل میدان جریان، بسیار صورت گرفته است. در حالیکه استفاده مجدد از این برنامه ها در مسائل مختلف هیدرودینامیکی و سیالی کمتر از کد نویسی مورد ارزیابی دقیق و موشکافانه قرار گرفته است. در این راستا و در این بررسی به منظور تحلیل جریان ناشی از شکست سد، از نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده شده است.
روش VOF:
تعیین سطح مشترک دو فاز سیال در بسیاری از مسائل هیدرولیکی مطرح بوده است. در پدیده های هیدرولیکی نیز تعیین سطح آزاد جریان در حل میدان جریان از اهمیت خاصی برخوردار است. روش های گوناگونی در تعیین سطح آزاد استفاده می شود که نسبت به دیدگاه حاکم بر حل میدان جریان متفاوت میباشد. در میدان جریان با شبکه ثابت، تعیین سطح آزاد بر اساس دیدگاه اولری نسبت به جریان مشخص میشود. در جریان های پیچیده مانند شکست موج که سطح آزاد آن از پیچیدگی های خاص خود بر خوردار است. در این روش تغییرات و جابجایی تعداد زیادی از ذرات سیال در محاسبات وارد می شوند، بنابرین نیاز به هزینه زیاد محاسباتی می باشد. اما در روش VOF برای هر جزء حجم سلول یک معادله دیفرانسیلی حل می شود که نهایتا مقدار جزء حجم سیال در هر سلول معیین می گردد. روش های توسعه یافته براساس VOF با توجه به دیدگاه اولری نسبت به میدان جریان، کارایی بیشتری دارند.
معادلات حاکم بر روش VOF در تعیین سطح آزاد به روش VOF از یک متغیر به نام F استفاده می شود که جزء حجم سیال (Volume Of Fraction) نامیده می شود.
در حل معادله فوق در سلولی که پر از سیال میباشد مقدار F برابر یک می باشد. ولی در سلول خالی از این سیال مقدار برابر صفر است. در سلول سطحی این مقدار بین صفر و یک می باشد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی شکست سد در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است. در شبیه سازی موج ناشی از شکست هیدرولیکی سد از روش جزء حجم(VOF) موجود در نرم افزار فلوئنت استفاده شده است و میدان جریان به صورت دوفازی درنظرگرفته شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار ANSYS SpaceClaim ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
شبکه و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت(FLUENT) انجام شده است.
به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (Pressure based) و در شرایط گذرا استفاده شده است.
برای وابستگی فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل( SIMPLE ) استفاده شده است. برای گسسته سازی روابط فشار از روش PRESTO و برای گسسته سازی معادلات مومنتوم از طرح بالادست مرتبه دوم (Second Order Upwind) و برای معادلات انرژی از طرح بالادست مرتبه اول (First Order Upwind) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
