آبان 19 بازنگری: 1395 مرداد 19 پذیرش: مقدمه. 4 Embersons 5 Anwar. 1 Geosynthetics 2 Geotextiles

Transcript

1 امیرکبیر عمران مهندسی نشریه 486 تا 477 صفحات 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه DOI: /ceej سيال-سازه اندرکنش اثر تحت الستيکي سدهاي در جريان ميدان بررسي برومند بيژن * ساماني کبيري عبدالرضا شيرازي چراغي نجمه ايران اصفهان اصفهان صنعتي دانشگاه عمران مهندسي دانشكده الستيکي سدهاي شوند. مي متصل صلب فنداسيون به که هستند استوانهاي پذير انعطاف سازههاي الستيکي سدهاي چکیده: بزرگ شکلهاي تغيير مسألهي ميگيرند. قرار بهرهبرداري مورد برافراشته حالت در هوا يا آب از ناشي داخلي فشار تحت ديفرانسيلي رابطهي حل ميشود. الستيکي سد رفتار بر حاکم معادالت شدن غيرخطي باعث خارجي و داخلي فشارهاي از ناشي رفتار بررسي به حاضر مطالعهي در اساس اين بر است. برخوردار خاصي پيچيدگيهاي از سازه نوع اين بر حاکم شکل تغيير اين در ميشود. پرداخته ANSYS نرمافزار کمک به سيال و سازه براي مرزي شرايط اعمال با الستيکي سدهاي بعدي سه گرفتن نظر در با سد شکل تغيير و سد روي از عبوري جريان در آب آزاد سطح سازه و سيال مسألهي همزمان حل با نرمافزار لح با ميشود. گيري بهره بزرگ شکلهاي تغيير حل از سازه بودن انعطافپذير به نظر ميآيد. بهدست سازه و سيال اندرکنش و سرعت هاي پروفيل و جريان خطوط منحنيهاي شامل جريان ميدان هاي مشخصه سيال-سازه اندرکنش معادالت مان همز اي دايره تاج سرريزهاي در جريان هيدروديناميکي هاي مشخصه با جريان ميدان به مربوط نتايج ادامه در شود. مي استخراج فشار سدهاي روي در جريان رفتار كه دهد مي نشان نتايج بررسي شود. مي مقايسه پيشين محققين آزمايشگاهي مطالعات حاصل است. اي دايره تاج سرريزهاي مشابه بزرگ نسبتا هاي شکل تغيير وجود با تعادل حالت در الستيکي داوری: تاریخچه 393 آذر دریافت: 394 آبان 9 بازنگری: 395 مرداد 9 پذیرش: 395 آذر آنالین: ارائه کليدي: کلمات الستيکي سدهاي سازه و سيال اندرکنش جريان ميدان سرعت پروفيل فشار - مقدمه روگذري الگوي داراي تيز لبه سرريز با مقايسه در دايرهاي تاج سرريز هد در است. سادهتري طراحي داراي اوجي سرريز با مقايسه در و پايدارتر انواع ساير با مقايسه در جرياني خطوط شکل با سرريز ثابت باالدست همچون موادي از استفاده ][. ميدهد عبور خود از را بيشتري دبي سرريزها تاج سرريزهاي پذيري انعطاف در الستيک و 2 ها ژئوتکستايل ها ژئوسنتتيک هر از شده ساخته سرريز تحليل که کنند مي ايفا را سزايي به نقش اي دايره ي نمونه ]2[. است نيازمند را خود خاص تحليلي هاي روش مواد اين از کدام قابل انعطافپذيري هستند. الستيکي سدهاي دايرهاي تاج سرريزهاي بارز طراحي سادگي محيط با سازگاري خارجي عوامل مقابل در مصالح توجه صلب سازههاي به نسبت مناسب پايداري و ايمني ساخت مدت بودن کوتاه موجب اجرائي هزينههاي کاهش نهايت در و بهرهبرداري سهولت و سادگي استفاده مورد بزرگ و کوچک آبي طرحهاي در الستيکي سدهاي که شده انحراف بهمنظور آبي طرحهاي از زيادي تعداد در حاضر حال در گيرند. قرار در مد و جذر کنترل شيرين و شور آب تداخل از جلوگيري رودخانه آب سطح ارتفاع افزايش و شده ساخته سدهاي مخازن حجم افزايش سواحل ميشود استفاده الستيکي سدهاي از کشتيراني جهت رودخانهها در آب فرانسوي مهندس يك توسط 947 سال در الستيکي سد از استفاده ]3[. جمله از مصنوعي مواد از سد ساخت فكر اما گرديد. مطرح 3 مسناجر نام به رئيس 4 ايمبرسون نورمن توسط بار اولين براي 950 سال از الستيكي مواد در بعد چندي و مطرح لسآنجلس شهر در نيرو و آب مهندسي دپارتمان سازي الستيك كمپاني توسط شهر اين در الستيكي سد اولين 958 سال يا تنشها الستيکي سد بدنه طراحي در ]3[. گرديد ارائه و طرح بريجستون وارد نيروهاي است. برخوردار العادهاي فوق اهميت از بدنه بر موثر نيروهاي است. ديناميکي و استاتيکي نيروهاي شامل الستيکي سدهاي بر مورد را الستيکي سدهاي دوبعدي رفتار )967( 5 انوار بار اولين براي فشار گرفتن نظر در و سد وزن از چشمپوشي با وي ]4[. داد قرار مطالعه مقطع هيدرواستاتيکي شکل از قسمتي مخزن هد از نسبتي صورت به دروني فرم به ديگر قسمت و بيضوي انتگرال فرم به هوا( يا آب از )پرشده سد ضمن وي آورد. بهدست نيروها تعادل از استفاده با را دايره يک معادلهي تجربي صورت به مدل چهار براي را دبي ضريب آزمايشگاهي مطالعات انجام 3 Mesnager 4 Embersons 5 Anwar Geosynthetics 2 Geotextiles akabiri@cc.iut.ac.ir مکاتبات: عهدهدار نویسنده * 477

2 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه مصالح که اين به نظر با 97 و 970 هاي سال در هريسون آورد. بهدست ]5 کنند مي پيروي خطي تنش-کرنش رابطه از و بوده االستيک سد سازنده هيدرواستاتيک فشار تحت را رديفه دو بادي و آبي الستيکي سدهاي 6[ و هد افزايش با دريافت او کرد. بررسي دست پايين و باالدست آب هد از ناشي مقايسه در بادي سد در غشاء در آمده وجود به کششي نيروي باالدست آب آبي الستيکي سدهاي 2 بايني 973 سال در مييابد. کاهش بيشتر آبي سد با قرار بررسي مورد است سد تاج بر منطبق باالدست آب سطح حاليکه در را و منحني محيط بودن نامحدود مسئلهي دليل به را انور تئوري او ]7[. داد از استفاده با 979 سال در 3 الوان ندانست. بخش رضايت کف در عرض الستيکي سدهاي در جريان دبي ضريب مقدار که دريافت آزمايشگاهي نتايج سد که رسيد نتيجه اين به وي همچنين ]8[. است 0/4 تا 0/3 بين آبي 4 الشامي دارد. مستطيلي سرريز به شبيه رفتاري سرريزي مواقع در الستيکي ارائه آزمايشگاهي نتايج پايه بر دبي ضريب تعيين براي را روابطي )983( 0/4 تا 0/35 بين مقداري ميتواند دبي ضريب که دريافت وي ]9[. نمود بعدي سه ارتعاش 995 سال در همکاران و 5 نامورتي داکشي نمايد. اختيار دادند قرار بررسي مورد سد پشت آب داشتن نگه ثابت با را رديفه دو سدهاي روش و شده مدل داخلي هواي فشار با پوسته يک صورت به سد ]0[. گرفت. قرار استفاده مورد خارجي آب سطح و سازه حل براي محدود اجزا و جريان دبي بين ارتباط برقراري براي را تجربي رابطه )997( 6 عبدالصابر و الوري ][. نمود ارائه الستيکي سد ارتفاع به باالدست آب هد نسبت نداشتن زمان در سازه بهتر ديناميکي پاسخ به توجه با 999 سال در 7 لياپيس محدود سد تاج به سد پشت آب که حالي در را بادي الستيکي سد روگذري استفاده با آب آزاد سطح مسئلهي دادند. قرار مطالعه مورد ]2[ باشد شده از استفاده با سد و بيان کامل خطي غير اويلري-الگرانژي فرموالسيون از 8 همکاران و الهمتي شد. مدل ABAQUS نرمافزار در پوسته المانهاي افزايش با که دريافتند بادي الستيکي سد فيزيکي مدل از استفاده با )2005a( طور به دبي ضريب مقادير داخلي فشار ثابت مقدار ازاي به باالدست آب هد تمايل دست پايين طرف به سد عرضي مقطع و مييابد افزايش محسوسي شده انجام مطالعات مبناي بر )2005b( همکاران و الهمتي ]3[. ميکند پيدا روگذري بدون دورديفه بادي و آبي الستيکي سد آناليز به هريسون توسط حاصل نتايج و تهيه را الستيکي سد آزمايشگاهي مدل آنها ]4[. پرداختند که دريافتند و کردند مقايسه تئوري نتايج با هيدرواستاتيک حالت در را آن از آزمايشگاهي و تئوري نتايج هوا( يا آب از )ناشي باال داخلي فشارهاي در تئوري صورت به استوانهاي غشاء استاتيکي رفتار دارند. بيشتري مطابقت باالدست سيال پارامترهاي و داخلي فشار مختلف شرايط تحت 200 سال در 9 دانشمند و قوانلو توسط بعدي دو صورت به دست پايين و غير آناليز براي تحليلي روش يک ايشان ]5[. گرفت قرار بررسي مورد مقايسهي کردند. ارائه استوانهاي غشاء و سيال استاتيکي اندرکنش خطي جديد روش صحت پيشين محققين تئوري و آزمايشگاهي نتايج با نتايج گنزالز ميکرد. تاييد را استاتيکي غيرخطي اندرکنش پيشبيني در ايشان اوجي سرريز روي بر الستيکي سد جانمايي اثر بررسي به )205( 0 دياز و سازه تحليل از حاصل عددي نتايج با را آزمايشگاهي نتايج ايشان پرداختند. ]6[. کردند مقايسه CFD روش به مطالعات در که دريافت توان مي مطالعاتي تاريخچه در دقت با عرضي جريانهاي و تکيهگاهها اثر از سد بينهايت طول فرض با پيشين به حاضر تحقيق در لذا است. شده چشمپوشي سد نهايي تغييرشکل در پرداخته سيال و سازه براي مرزي شرايط اعمال با سد بعدي سه رفتار بررسي نيا ميگيرد. صورت ANSYS نرمافزار در سيال و سد شبيهسازي ميشود. محيط در Transient Structural و CFX همزمان حل با نرمافزار در آب آزاد سطح بنابراين ميپردازد. سيال و سازه حل به Workbench اندرکنش گرفتن نظر در با سد نهايي شکل و سد روي از عبوري جريان اثر و مشخص تاثيرگذار پارامترهاي سپس ميآيد. بهدست سازه و سيال پيشين مطالعات از آمده بهدست نتايج پايهي بر ميشود. داده نشان هريک در جريان هيدروليک و تغييرشکل ويژگيهاي بررسي به تحقيق اين در روي بر جريان ميدان مشخصات ادامه در ميشود. پرداخته الستيکي سدهاي مربوط نتايج با و بررسي فشار و سرعت هاي پروفيل شامل الستيکي سدهاي شوند. مي مقايسه اي دايره تاج سرريزهاي به عددي سازي 2-2 مدل اساس بر و محدود حجم روش اساس بر ANSYS CFX نرمافزار براي شبکه اين ميکند. عمل شبکه وسيلهي به مکاني دامنهي گسستهسازي مومنتوم جرم مانند مربوطه کميتهاي حفظ جهت محدود حجمهاي ساخت شبکه رئوس در سيال خواص و حل متغيرهاي تمام ميرود. کار به انرژي و متوسط از استفاده با شبکه گرهي هر اطراف کنترل حجم شوند. مي ذخيره ANSYS CFX theory guide release( شود مي ساخته رئوس مختصات در حرکت اندازه و )پيوستگي( جرم بقاي معادالت ]7[. 2.( و شده گسستهسازي محاسباتي شبکهي روي محدود حجم روش به دکارتي نرمافزار اين است. شده حل ناحيه کل در ANSYS نرمافزارCFX توسط روش ميپردازد. معادالت حل به مرکز هم چيدمان با شبکه از استفاده با هک است دوم مرتبهي رو پس اويلري زماني ترمهاي براي گسستهسازي مشتقها مقادير ي محاسبه براي است. عددي پايداري با ضمني کامال روشي ميرود. کار به استاندارد شکل تابع فشار گراديان و پخش ترمهاي تمام در 9 Ghavanloo & Daneshmand 0 Diaz & Gonzalez computational fluid dynamics Harrison 2 Binnie 3 Alwan 4 Al-Shami 5 Dakshina Moorthy 6 Abd-Alsaber 7 Lowery & Liapis 8 Alhamati et al. 478

3 تا 477 صفحه 396 سال شماره 3 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه مساوي يا کوچکتر RMS باقيمانده اساس بر معادالت همگرايي معيار Transient صورت به نرمافزار در نظر مورد سازهي گرديد. تعريف 0-5 Workbench از استفاده با شبيهسازي در ميشود. مدل Structure به و ابتدايي المانهاي انواع محدود اجزاي روش مبناي بر سازه براي گرهاي 20 المان و وجهي چهار گرهاي 0 منشوري المان پيشفرض صورت بسته سطوح مدلهاي براي و جامد هندسهي با مدلهاي براي وجهي شش تقد اساس بر انتخاب اين ميشود. استفاده گرهاي 4 پوستهي المانهاي از آزمايشگاهي مدل از بعدي سه سازي مدل در ميگيرد. صورت الزم کارايي و ارتفاع متر 2 طول با کانالي شامل 2[ و ]3 مطالعات در استفاده مورد است. شده استفاده جريان سازي شبيه براي متر 0/9 عرض و متر 0/45 به نياز االستيک مادهاي بهعنوان الستيک هاي شکل تغيير تحليل براي به معرفي براي حجم يک از مدل است. CFX و ANSYS همزمان حل به ANSYS افزار نرم براي نازک ضخامت با پوسته يک و CFX نرمافزار است. شده تشکيل الستيکي سد عنوان طول با پايهاي مدل از الستيکي سد در شکلها تغيير بررسي منظور به ميليمتر ضخامت متر 0/5 کف در عرض متر مقطع سطح محيط مدول شد. گرفته نظر در پاسکال کيلو 3 داخلي فشار است. شده استفاده براي ]3-5[. گرديد لحاظ مگاپاسکال 4/633 سد اين االستيسيتهي سازه مشترک سطح يعني شديد گراديانهاي با نواحي در مدل بندي شبکه شبکه جريان( جدايش )محل دست پايين در و آب آزاد سطح در سيال و زياد شکلهاي تغيير و سازه بودن پذير انعطاف دليل به گرديد. اختيار ريزتر باالدست جريان هد بودن زياد و داخلي فشار بودن کم صورت در خصوصا آن بااليي اهميت از سيال و سازه مشترک سطح اطراف در شبکهبندي کردن ريز شد. انجام شبکه های المان تعداد مورد در حساسيت آناليز است. برخوردار شد مطالعه متفاوت های المان تعداد با مختلف شبکه چند منظور اين برای دقت بر ها المان تعداد اثر بررسی با يافت. دست قبول قابل دقت به بتوان تا روي سرعت های پروفيل به مربوط آزمايشگاهی نتايج با مقايسه در نتايج انتخاب المان ميليون 7 تعداد با شبکه نهايت در الستيک شکل تغيير و تاج سيال و سازه همزمان حل شبکه کردن ريزتر که است ذکر به الزم گرديد. کرد. مي مواجه مشکل با را و خارجي سطوح واقع در ANSYS-CFX نرمافزار در سيال مرزهاي آن توسط حمل قابل کميتهاي و سيال که است هندسي مدل از داخلي يا ميشود. خارج آن از يا و وارد حل ناحيهي به انرژي و مومنتوم جرم مانند در بازشدگي و ورودي در باالدست آب سطح شرط از حاضر تحقيق در تسد پايين در کنترلکنندهاي سازهي واقع در است. شده استفاده پاييندست لذا نميآورد. بهوجود را جريان پسزدگي مانند شرايطي و ندارد وجود سد موضوع تواند مي سازه نهايي شکل بر پاييندست مرزي شرط اثر بررسي مقايسهي از حل براي کافي زمان تعيين براي گيرد. قرار آتی هاي پژوهش شده استفاده سد تاج روي سرعت پروفيل و سد مقطع يافتهي تعادل شکل تاج روي سرعت پروفيل دارد اساسي نقش حل زمان تعيين در چه آن است. آمده دست به نتايج اساس بر است. آب آزاد سطح شدن ثابت عبارتي به يا و ي يافته تعادل شکل نيز و آب آزاد سطح و سرعت هاي پروفيل با ارتباط در گام انتخاب با و گرديد تعيين ثانيه 9 با برابر حل ي بهينه زمان سد مقطع ميشود. حاصل جواب همگرايي ثانيه 0/04 زماني نتايج سنجي 3-3 صحت نرمافزار توسط حل از حاصل شکل تغيير نتايج مقايسهي منظور به تعريف در است. شده ارائه 2 و شکلهاي آزمايشگاهي نتايج با ANSYS شده استفاده قبل قسمت در شده داده شرح فيزيکي خصوصيات از مدل اين است. فشار و ثانيه بر ليتر 5/25 جريان دبي سد مقطع سطح : شکل کيلوپاسکال 4 با برابر داخلي Fig.. Cross section of dam for flow discharge of 5.25 lit/s and internal pressure of 4 kpa ثانيه بر ليتر 5/25 جريان دبي سد مقطع سطح شکل 2: شکل کيلوپاسکال 5 با برابر داخلي فشار و Fig. 2. Cross section of dam for flow discharge of 5.25 lit/s and internal pressure of 5 kpa نتايج بين اختالف حداکثر 2 و شکلهاي در شده ارائه نتايج اساس بر حدود در سد نهايي ارتفاع براي آزمايشگاهي نتايج و عددي حل از حاصل است. درصد 3/23 و /97 نتايج 4-4 تحليل حالت در الستيکي سدهاي شکل تغيير بر مؤثر پارامترهاي به توجه با Root Mean Square 479

4 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه مقاطع در فشار و سرعت آب سطح هاي پروفيل بررسي به ادامه در روگذري اندازه از بيش جابهجاييهاي وجود شود. مي پرداخته سد تاج روي و مختلف و سيال و سازه ميان مرز در سيال شبکهي اندازهي بودن بزرگ سازه زياد اختالل باعث سيال و سازه شبکهي به المان از خاصي شکل تخصيص يا ميان اطالعات کردن بدل و رد و شده سيال و سازه ميان اندرکنش حل در جابهجاييهاي نهايتا موضوع اين ميکند. روبهرو مشکل با را سيال و سازه انعطافپذيري ميزان ميکند. مختل را سيال و سازه شبکههاي ميان سازگار سازه نهايي شکل تغيير 3 شکل ميافزايد. بحث اين حساسيت بر سازه ترين بيش ميشود مالحظه چنانکه ميدهد. نشان سهبعدي صورت به را نوع بهدليل موضوع اين است. سد وسط مقطع در سد تاج به متعلق جابهجايي که است عرضي جريانهاي آمدن بهوجود و کانال ديوارهاي به سد اتصال زياد سد مقطع در سد ارتفاع ميآورد. بهوجود سد وسط در را جريان تمرکز افزايش جريان دبي ضريب و شده بيشتر جريان فشردگي آن دنبال به شده آنچه طبق بر هست. نيز سد شدن مثلثي اثر گوياي ضمنا شکل اين مييابد. و شده بعدي دو سد اين رفتار کانال عرض کردن زياد با شد بيان پيشتر باعث مورد اين که ميشود. کمتر طرفين به نسبت وسط مقطع در ارتفاع ميشود. نيز ارتفاع در سد شدن مثلثي پديده عمل در ميشود. تشديد اثر دو هر داخلي فشار بودن کم با باعث ميافتد اتفاق داخلي فشار بودن کم شرايط در که سد يشدن مثلث تخريب و عبوري دبي در نوسان سازه در ارتعاش ايجاد سازه ناپايداري. ميگردد فنداسيون عرض اثر ) 4 -الف( شکل است. شده بررسي جدول در شده بندي دسته عرض افزايش با ميدهد. نشان را سد تعادليافتهي شکل روي سد کف در حالت سد و يافته افزايش سازه روگذري مييابد کاهش سازه ارتفاع کف در تغيير بر را االستيسيته مدول اثر ) 4 -ب( شکل ميگيرد. خود به پايدارتري شکلها تغيير االستيسيته مدول افزايش با ميدهد. نشان سازه نهايي شکل ميشود. کم سد ارتفاع و شده متمايل باالدست سمت به سازه مييابد کاهش شکل شد. خواهد نزديکتر دايرهاي تاج سرريز رفتار به سد رفتار بنابراين است. سازه نهايي شکل تغيير بر سازه بدنهي محيط اثر دهندهي نشان ) 4 -ج( ) 4 -د( شکل مييابد. کاهش شکلها تغيير و سد ارتفاع سد محيط کاهش با فشار کاهش با دهد. مي نمايش را نهايي شکل تغيير بر سازه داخلي فشار اثر بدنه در فرورفتگي و دارد بيشتري تغييرشکل مقدار بدنه باالدستي بخش خود اوليهي استوانهاي شکل سازه داخلي فشار افزايش با ميشود. مشاهده ارتفاع و ميشود کشيدهتر خود باالدست قسمت در ميکند حفظ بيشتر را ميشود. بيشتر سازه باالدست( جريان )هد عبوري جريان دبي اثر دهندهي نشان ) 4 -ه( شکل به عبوري دبي افزايش با سازهها اين در است. سازه نهايي شکل تغيير بر مقطع در بدنه در فرورفتگي جريان شدن سهبعدي و تکيهگاهي شرايط دليل در سد ارتفاع و پالن در شدن مثلثي اثر حالت اين در است. بيشتر سد وسط سطح شکل سد وسط مقطع به شدن نزديک با مييابد. افزايش وسط مقطع جريان جدايش و ميشود خارج بيشتر خود اوليه دايرهاي حالت از سد مقطع در معلوم مقادير تعيين و بحث مورد مدلهاي دستهبندي : جدول دسته هر Table. Different models considered in the present study and their hydraulic/geometric parameters دسته محيط سطح مقطع )متر( ضخامت الستيک )ميليمتر( عرض در کف )متر( مدول االستيسيته )مگاپاسکال( سطح آب باالدست )ميليمتر( فشار سد داخلي )کيلوپاسکال( 3 265/4 4/63 0/5 تا 0/ /4 40/6 تا 4/2 0/ تا /4 265/4 تا /4 4/63 4/63 4/63 4/63 0/5 0/5 0/5 0/5 2 تا 0/5 0/275 تا سازه نهايي شکل تغيير 3: شکل Fig. 3. Final deformed shape of the dam دسته شش به مدلها مسأله بر مؤثر پارامترهاي اثر بررسي منظور به دسته هر در متغير پارامترهاي و مدلها دستهبندي جدول شدند. تقسيم کف) B ( در عرض پارامترهاي از هريک اثر 4 شکل در ميدهد. نشان را جريان دبي داخلي) P ( فشار )R( سد داخلي شعاع )E( االستيسيته مدول هاي مدل از هريک در سازه شکل تغيير بر پوسته) t ( ضخامت ) Q (و عبوري 480

5 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه ضخامت اثر ) 4 -و( شکل ميافتد. اتفاق تاج به نسبت دورتري فاصلهي در نشان شکل در که همانطور ميدهد. نشان را نهايي شکل تغيير بر الستيک برابر در سد شکل تغيير ضخامت کاهش با ششم دستهي در است شده داده مييابد. افزايش عبوري جريان دس مقطع اوليهي شعاع ج( االستيسيته مدول ب( کف عرض الف( تغيير بهازاي سد مقطع شکلهاي تغيير مقايسهي 4: شکل الستيک ضخامت و( جريان دبي ه( سد داخلي فشار د( Fig. 4. Deformation of dam's cross section by the variation of a- base width, b- modulus of elasticity, c- radius of the dam's primary cross section, d-internal pressure, e- flow discharge and f- rubber thickness 48

6 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه و مييابد افزايش سد وسط مقطع در سد ارتفاع شکلها تغيير افزايش با ميشود. متمايل خود دست پايين سمت به سازه مستقيما نيز مشخصات ساير که جريان يک مشخصهي وجه مهمترين با معادل غالبا سرعت تعيين واقع در است. سرعت ميدان دارند بستگي آن به نرمال دايرهاي تاج سرريز زمينهي در که مطالعاتي است. جريان مسألهي حل طرف به سرريز تاج از سرعت مقادير که ميدهد نشان است گرفته صورت تاج روي از عبوري جريان سرعت توزيع ادامه در مييابد. کاهش آب سطح روي سرعت پروفيل 5 شکل ميگيرد. قرار بررسي مورد الستيکي سدهاي ميدهد. نمايش z و x y جريان راستاي در xy صفحهي در را سد تاج فشردگي و تمرکز طرفين در تکيهگاهها وجود و سازه انعطافپذيري بهدليل شرح اين از پيش که همانطور بنابراين ميآيد. بهوجود سد وسط در جريان شدن نزديک با نتيجه در مييابد. افزايش مقطع اين در سازه ارتفاع شد داده با مييابد. افزايش y جهت در و کاهش z و x جهت در سرعت سد مرکز به راستاي در سرعت بودن غالب به ميتوان 5 شکل در سرعت مقادير در دقت ي اليه )ضخامت δ فاصلهي در سرعت مقدار بيشترين برد. پي جريان ميافتد. اتفاق مرزي( توزيع بر الستيکي سد مختلف پارامترهاي اثر ه( تا ) 6 -الف شکلهاي ميدهند. نمايش را شده داده شرح مدل دسته 6 در سد تاج روي سرعت شکل است. گرفته صورت سد وسط در xy ي صفحه در بررسيها اين ارتفاع ميدهد. نشان سد تاج روي سرعت توزيع بر را سد ارتفاع اثر ) 6 -الف( ) 6 -الف( شکل در چنانکه است. برابر حاالت اين همهي در باالدست آب شيب تغييرات روگذري افزايش و سد ارتفاع کاهش با ميشود مشاهده هک همانطور مييابد. افزايش آن مقدار بيشترين و سرعت پروفيل منحني شکلها تغيير الستيک ضخامت افزايش با ميشود مشاهده ) 6 -ب( شکل در تاج روي جريان سرعت بيشترين و جريان هد بنابراين مييابند. کاهش نميکند زيادي تغيير روگذري مقدار که آنجايي از مييابد. افزايش سرريز هد مقدار در را داخلي فشار اثر ) 6 -ج( شکل ميماند. ثابت سرعت الگوي تبع به و داخلي فشار افزايش ميدهد. نشان تاج روي جريان سرعت و تاج روي سرعت کاهش و جريان هد کاهش به منجر ارتفاع افزايش آن مالحظه ) 6 -د( شکل در که همانطور کف در عرض افزايش با ميشود. روي سرعت و جريان هد آن بهدنبال و مييابد کاهش سد ارتفاع ميشود جريان سرعت پروفيل بر را االستيسيته اثر ) 6 -ه( شکل مييابد. افزايش تاج سرريز رفتار به الستيکي سد رفتار االستيسيته افزايش با ميدهد. نشان ناشن خود از را کمتري انعطافپذيري سد و ميشود نزديکتر استوانهاي مييابد. افزايش سرعت مقدار و سد تاج روي جريان هد نتيجه در ميدهد. دايرهاي تاج سرريز آزمايشگاهي دادههاي نتايج مقايسهي بهمنظور سرريز با را الستيکي سد رفتار تشابه 7 شکل است. شده استفاده ]8[ مرجع افقي سرعت و )Y( جريان عمق )7( شکل در ميدهد. نشان دايرهاي تاج شده بعد بدون U( ( تاج روي سرعت و )R( استوانه شعاع با ترتيب به )u( فشار تحت تنها سازه که وقتي سد اوليه شعاع الستيکي سد در R است. است. دارد قرار داخلي روي z و x جهاتy در سرعت پروفيلهاي نمايش 5: شکل سد تاج Fig. 5. Velocity profiles in x, y and z direction دليل به الستيکي سدهاي در خصوص به و دايرهاي تاج سرريزهاي در هيدرواستاتيک حالت از فشار توزيع سرريز تاج روي جريان خطوط انحناي تاج روي فشار سرريز روي جريان سرعت و آبي بار افزايش با ميشود. خارج ميافتد. اتفاق سد تاج از قبل نقطهاي در جريان جدايش و شده منفي 482

7 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه به سد تاج روي سرعت پروفيلهاي مقايسهي 6: شکل ضخامت ب( سد مقطع اوليهي شعاع الف( تغيير ازاء و سد کف در عرض د( سد داخلي فشار ج( الستيک سد االستيسيتهي مدول ه( Fig. 6. Velocity profiles over the dam crest versus a- radius of dam's primary cross section, b- rubber thickness, c-internal pressure, d- base width and e-modulus of elasticity نحوه نمودن مشخص سرريز تاج روي بر فشار توزيع تعيين از هدف چگونگي از اطالع است. تاج روي عمق در و عرض در فشار پارامتر تغييرات سرريزها در حرکت اندازه و انرژي معادالت آگاهانه بردن بهکار در فشار توزيع فشار از بيش سرريز بر وارده فشار طراحي شرايط در چنانچه است. سودمند باعث باشد اتمسفر فشار از کمتر اگر و دبي کاهش باعث باشد اتمسفر ترتيب اين به ميگردد. کاويتاسيون پديده ايجاد همزمان و دبي افزايش هر در استاتيکي فشار است. اهميت داراي سرريز تاج روي فشار توزيع بررسي نرمافزار در اتمسفر( ) مرجع فشار به نسبت نسبي صورت به سيال از نقطه 8 شکل است. ديناميکي و استاتيکي فشار برابر کل فشار است. شده تعريف نزديک با ميدهد. نمايش xy صفحهي در را سد تاج روي فشار پروفيل روي فشار نهايتا و کاهش سرعت افزايش سد ارتفاع وسط مقطع به شدن تاج از دورتري فاصلهي در جريان جدايش بنابراين مييابد. افزايش سد تاج توزيع بر را آبي بار افزايش و سد ارتفاع کاهش اثر 9 شکل ميافتد. اتفاق سد داده نشان شکل در که همانطور ميدهد. نشان سد وسط مقطع در فشار حالت از فشار توزيع سرعت افزايش آن بهدنبال و آبي بار افزايش با است شده ميشود. ايجاد سرريز تاج روي منفي فشار سپس و شده خارج هيدرواستاتيک استوانهاي سرريز در ]8[ چمني و حيدرپور مطالعات از آمده بهدست نتايج 483

8 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 3 سال 396 صفحه 477 تا 486 H کمتر از 0/8 توزيع سرعت بهصورت خطي نشان ميدهد که براي R/ و فشار هيدرواستاتيک است حال آن که براي مقادير بيشتر از 0/8 توزيع H بار کل از سطح تاج سد و فشار از حالت هيدرواستاتيک خارج ميشود. R شعاع سرريز استوانهي است. در شکل 0 به مقايسهي نتايج پروفيل فشار حاصل از تحقيق حاضر با نتايج آزمايشگاهي ]9[ پرداخته شده است. R در تحقيق حاضر برابر با شعاع اوليهي سد )وقتي که سازه تنها تحت فشار داخلي Y 2 هد آب روي سرريز است. بررسي است( در نظر گرفته شده است و اين شکل نشان ميدهد که دادههاي آزمايشگاهي با مدل عددي صرفنظر از شرايط جريان در آزمايشگاه و مدل عددي داراي مشابهت قابل قبولي H توزيع است. همانگونه که در شکل نشان داده شده است با افزايش R/ y/y 2 به دليل تغيير فشار از حالت هيدرواستاتيک خارج ميشود. با کاهش رفتار و نيز تفاوت شکل نهايي سدهاي الستيکي نسبت به سرريزهاي تاج دايره اي انحراف نتايج محاسباتي از مقادير مشاهده شده بيشتر می شود. زيرا در هد باالدست ثابت سرريز با شکل خطوط جرياني در مقايسه با ساير انواع سرريزها دبي بيشتري را از خود عبور ميدهد. بنابراين شکل نهايي سد باعث به وجود آمدن تغيير در پروفيل های سرعت و فشار می شود. شکل 8: توزيع فشار روي تاج سد در صفحهي xy Fig. 8. Distribution of pressure over the dam crest in x-y plane شکل 7: مقايسهي پروفيلهاي سرعت روي تاج سد به ازاء تغيير در عرض در کف سد Fig. 7. Velocity profiles over the dam crest with against the base width شکل 9: توزيع فشار روي تاج سد به ازاي افزايش ارتفاع اوليهي سد Fig. 9. Distribution of pressure over the dam crest against the primary height of the dam 484

9 تا 477 صفحه 396 سال 3 شماره 49 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه حالت از سد تاج روي فشار توزيع شدن خارج 0: شکل H R/ مقدار در افزايش ازاي به هيدرواستاتيک نتيجهگيري و 5-5 جمعبندي به که هستند اي استوانه پذير انعطاف هاي سازه الستيکي سدهاي سدها اين از زيادي بسيار تعداد اگرچه شوند. می متصل صلب فونداسيون در گيرند مي قرار برداري بهره مورد دائمي صورت به برافراشته حالت در صورت به و شوند خالي سيال از نياز عدم مواقع در توانند مي حال عين سد بعدي سه رفتار بررسي به حاضر تحقيق در گيرند. قرار بستر روي تخت به حاضر تحقيق در شد. پرداخته سيال و سازه براي مرزي شرايط اعمال با پرداخته الستيکی های سد روي بر جريان هيدروليک و شکل تغيير بررسي يابي دست به منجر نهايت در تواند می دست اطن از هايی بررسي نتايج شد. نهايي شکل تغيير تأثير تحت جريان دبي ضريب تعيين برای روابطی به دسته شش در مدلهايي مؤثر پارامترهاي به توجه با ]20[. شود منجر سد در تاج روي سرعت و سد مقطع تغييرشکل بر پارامتر هر اثر شد. تعريف در سيال و سد شبيهسازي شد. بررسي فشار تغييرات و داده نشان دسته هر و CFX همزمان حل با نرمافزار اين گرفت. صورت ANSYS نرمافزار و سازه حل به Workbench محيط در Transient Structural در با سد روي از عبوري جريان در آب آزاد سطح بنابراين ميپردازد. سيال هب دستيابي بهمنظور ميآيد. بهدست سازه و سيال اندرکنش گرفتن نظر در جريان جدايش کردن مدل در و هوا و آب فازي دو حل از آب آزاد سطح است. شده استفاده CFX محيط در SST آشفتگي مدل از سد دست پايين تاج روي سرعت و سد مقطع تغييرشکل بر مختلف پارامترهاي اثر ادامه در افزايش با شد. بررسي مدل در فشار تغييرات و شد داده نشان دسته هر در سد و يافته افزايش سازه روگذري مييابد کاهش سازه ارتفاع کف در عرض شکلها تغيير االستيسيته مدول افزايش با ميگيرد. خود به پايدارتري حالت ميشود. کم سد ارتفاع و شده متمايل باالدست سمت به سازه مييابد کاهش کاهش با شد. خواهد نزديکتر دايرهاي تاج سرريز رفتار به سد رفتار بنابراين کاهش با مييابد. کاهش شکلها تغيير و سد ارتفاع مقطع سطح محيط در فرورفتگي و دارد بيشتري تغييرشکل مقدار بدنه باالدستي بخش فشار و تکيهگاهي شرايط دليل به عبوري دبي افزايش با ميشود. مشاهده بدنه اتفاق بيشتر سد وسط مقطع در بدنه در فرورفتگي جريان شدن بعدي سه وسط مقطع در سد ارتفاع و پالن در شدن مثلثي اثر حالت اين در ميافتد. عبوري جريان برابر در سد شکل تغيير ضخامت کاهش با مييابد. افزايش پرداخته سد تاج روي سرعت پروفيلهاي بررسي به ادامه در مييابد. افزايش رب حاکم نيمرخ الگوي از سرعت نيمرخهاي شد داده نشان چنانکه شد. داد نشان سد تاج روي فشار بررسي نهايتا ميکرد. پيروي استوانهاي سرريز هيدرواستاتيک حالت از فشار تاج روي جريان خطوط انحناي بهدليل که هب ميگيرد. بهخود منفي مقداري عبوري دبي شدن بيشتر با و شده خارج خارج هيدرواستاتيک حالت از تاج روي فشار 0/8 از بيشتر H R/ ازاي کرد. تائيد را نکته اين آزمايشگاهي نتايج که ميشود مراجع [] Chanson, H., Montes, J.S., "Overflow Characteristics of Circular Weirs: Effect of Inflow Conditions", Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 24(3) (998) [2] Chu, J., Guo, W., Yan, S.W., "Geosynthetic Tubes and Geosynthetic mats: Analyses and Applications", Journal of the SEAGS & AGSSEA, 42() (20). [3] Najmaei, M., "Rubber dams", Large dams National Committee Tehran, Iran, 200(In Persian). [4] Anwar, H.O., "Inflatable dams", Journal of Hydraulic Division, ASCE, 93(Hy3) (967) [5] Harrison, H.B., "The analysis and behavior of inflatable dams under static loading", Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 45 (970) [6] Harrison, H.B., "The analysis and behavior of inflatable dams under static loading (Discussion)", Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 48 (97) [7] Binnie, A.M., "The theory of flexible dams inflated by water pressure", Journal of Hydraulic Research, () (973) [8] Alwan, A.D., "The analysis and design of inflatable dams", University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom, 979. [9] Al-Shami, A., "Theory and design of inflatable structures", University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom, 983. Fig. 0. Deviation from the hydrostatic pressure distribution over the dam crest by increasing H /R 485

10 نشریه مهندسی عمران امیرکبیر دوره 49 شماره 3 سال 396 صفحه 477 تا 486 [5] Ghavanloo, E., Daneshmand, F., "Analytical analysis of the static interaction of fluid and cylindrical membrane structures", European Journal of Mechanics A/Solids, 29 (200) [6] Diaz, S., Gonzalez, J., "Hydraulic effects of an inflatable rubber weir located over a WES orginal spillway profile: experimental and CFD approaches", in: E-proceedings of 36th IAHR Word Congress, 205. [7] ANSYS CFX theory guide release 2., in, Inc. [8] Heidarpour, M., Chamani, M.R., "Velocity distribution over cylindrical weirs", Journal of Hydraulic Research, 44(5) (2006) [9] Heidarpour, M., Izadinia, E., Saadatpour, A., "Pressure distribution over circular-crested weirs of different heights", Proceedings of the National Irrigation and Drainage Networks Management Congress, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran, 2006 (In Persian). [0] D. Moorthy, C. M., Reddy, J. N., Plaut, R. H., "Threedimensional vibrations of inflatable dams", Thin-Walled Structures, 2 (995) [] Abd-Alsaber, I.B., "Effects of sediments and tailwater depths on the performance of air inflated dams", University of Mosul, Mosul, Iraq, 997. [2] Lowery, K., Liapis, S., "Dynamic analysis of an inflatable dam subjected to a flood", Computational Mechanics, 24 (999) [3] Alhamati, A.A.N., e. al., "Determination of Coefficient of Discharge for Air-Inflated Dam Using Physical Model", Suranaree Journal of Science and Technology, 2() (2005) [4] Alhamati, A.A.N., e. al., "Behavior of inflatable dams under hydrostatic conditions", Suranaree Journal of Science and Technology, 2() (2005) -8. براى ارجاع به این مقاله از عبارت زیر استفاده کنید: Please cite this article using: N. Cheraghi-Shirazi, A.R. Kabiri-Samani, B. Boroomand, Flow Field over the Rubber Dams Based on Fluid- Structure Interactions, Amirkabir J. Civil Eng., 49(3) (207) DOI: /ceej