مهندسی سازه‌های هیدرولیکی

مقدمه

در پروژه‌های زهکشی، آبیاری و هیدرولیک، سازه‌های هیدرولیکی بسیار مهم هستند. خرابی سازه‌های هیدرولیکی می‌تواند منجر به خسارات جانی و مالی قابل توجهی شود و به محیط زیست و اقتصاد آسیب برساند. قنات‌ها، ایستگاه‌های پمپاژ، سیفون‌ها و دریچه‌ها نمونه‌هایی از زیرساخت‌های مرتبط با آب هستند که برای تسهیل نیازها و خواسته‌های انسان و بهبود کیفیت زندگی ساخته شده‌اند. نمونه‌های دیگر عبارتند از کانال‌های زهکشی، رودخانه‌ها، کانال‌های آبیاری، کار حفاظت از کناره‌ها و پیاده‌روی، سدها، آب‌شکن‌ها، پل‌ها و کالورت‌ها.

سازه‌هایی که به طور کامل یا جزئی در آب غوطه‌ور شده‌اند، به عنوان سازه‌های هیدرولیکی شناخته (hydraulic structures) می‌شوند. هدف سازه‌های هیدرولیکی تغییر جریان طبیعی اجسام آبی به یکی از راه‌های مختلف است: از طریق انحراف، اختلال، ذخیره‌سازی یا توقف کامل. سازه‌های هیدرولیکی به سه دسته تقسیم می‌شوند: سازه‌های با کاربرد خاص (سازه‌های تولید برق آبی یا آبراه‌های داخلی)، سازه‌های نگهدارنده آب (سدها و مانع‌ها) و سازه‌های انتقال آب (کانال‌های مصنوعی).

چگونه می‌توان سازه‌های هیدرولیکی را در مهندسی عمران با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

با استفاده از روش‌های عددی برای حل معادلات ریاضی، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) جریان سیال، انتقال گرما و انتقال جرم، واکنش‌های شیمیایی و سایر الگوهای سیال قابل مقایسه را شبیه‌سازی می‌کند. با توسعه قابلیت‌های محاسبات عددی، استفاده از CFD در کاربردهای مهندسی و صنعتی از ابتدای قرن بیست و یکم افزایش یافته است. نتایج مدل‌های عددی اغلب توسط محققان با تردید مشاهده شده است؛ زیرا رویکرد سنتی در هیدرولیک از مدل‌های فیزیکی تجربی استفاده می‌کند. درنتیجه، به استفاده از مدل‌های فیزیکی در کنار مدل‌های عددی عادت کرده است. یک دیدگاه عددی تایید شده با داده‌های تجربی یا یک مطالعه موردی ممکن است برای ارزیابی دقیق‌تر مسائل هیدرولیکی از تحقیقات تجربی استفاده شود.

جریان آب در دنیای واقعی، مانند رودخانه‌ها، طوفان‌آب و سیستم‌های فاضلاب را می‌توان با استفاده از مدل‌سازی CFD پیش‌بینی و نشان داد. به زبان ساده، CFD مزایای مفید مدل سازی فیزیکی را در محدودیت‌های زمانی و هزینه‌ای مناسب ارائه می‌دهد.

روش CFD اخیراً پس از این‌که در ابتدا عمدتاً برای پروژه‌های بزرگ مورد استفاده قرار گرفت تا از دقت افزایش یافته آن بهره‌مند شود، مقرون به صرفه‌تر شده است. اما با پیشرفت تکنولوژی، هزینه به میزان قابل توجهی کاهش یافته است و این امکان را برای جوامع کوچک‌تر فراهم می‌کند تا از این پژوهش پیشرفته بهره‌مند شوند.

CFD در شبیه سازی سازه‌های سد

به ویژه برای مالکان و بهره برداران سد، مشکلات فنی امروزی پیچیده است. آب‌شستگی سرریزها، جریان‌های آسیب‌رسان به چاه، جمع‌آوری زباله‌های رودخانه در مکان‌های نامناسب و سرریز ناهموار دیوارهای آموزشی، همگی نمونه‌هایی از مشکلات جریان اطراف سدها هستند. لرزش در سطل زباله، افزایش سایش یاتاقان و حتی ایجاد یک گرداب هسته هوا همگی می‌توانند ناشی از جریان نامتعادل به واحدهای نیروگاه باشند. مالکان و اپراتورهای سد ممکن است بخواهند قبل از سرمایه‌گذاری قابل توجه در ساخت‌وساز و هزینه‌های نگهداری مداوم برای رفع این مشکلات پیچیده، به استفاده از مدل دینامیک سیالات محاسباتی برای کاهش عدم قطعیت و افزایش موفقیت پروژه فکر کنند.

مدل‌سازی CFD دانش بهتری از علل اساسی و راه حل‌های بالقوه برای مسائل جریان نزدیک به سدها و نیروگاه‌ها ارائه می‌دهد. مهندسان می‌توانند مسائل مربوط به اتلاف انرژی را حل کنند، علل الگوهای ناهموار آبشستگی سرریز را تعیین کنند، و حتی جریان‌های حرارتی را با استفاده از مهارت‌های مدل سازی CFD پیش بینی کنند. گرداب‌های جریان، امواج، الگوهای گردش مجدد دریاچه، انتقال رسوب، آب‌شستگی بستر رودخانه و حتی جریان‌های باز شدن دروازه‌های دینامیکی همگی می‌توانند توسط مهندسان مدل‌سازی شوند. مدل‌های عددی CFD ممکن است به پروژه شما کمک کنند، با کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و ساخت و ساز، کاهش خطر خرابی، و بازگرداندن عملکرد روان تاسیسات برق آبی شما.

استفاده از CFD برای شبیه سازی آب‌شستگی پل

در محیط‌های دریایی و ساحلی، انتقال رسوب و آب‌شستگی محلی ناشی از آن می‌تواند باعث خرابی سازه‌ها شود. پیش بینی دقیق بزرگی آب‌شستگی محلی و دانش و درک اصول حاکم بر سایش و حرکت رسوب برای طراحی سازه ضروری است.

آب‌شستگی پل می‌تواند باعث سقوط غیرمنتظره پل شود که در صورت استفاده افراد از پل می‌تواند منجر به مرگ شود. اینها اغلب با یک ارزیابی ریسک اولیه شروع می‌شوند و به دنبال آن یک ارزیابی عمیق‌تر برای پل‌های خاص براساس سرعت متوسط انجام می‌شود. فرض کنید این تکنیک‌های مرسوم نشان می‌دهد که حفاظت از آب‌شستگی باید درنظر گرفته شود. در آن صورت، این یک تعهد پرهزینه است که ممکن است مقرون به صرفه‌تر شود، اگر اندازه پل که باید محافظت شود دقیق‌تر محدود شود. این امر مستلزم درک دقیق هیدرولیکی از الگوهای جریان پیچیده‌ای است که در بسیاری از پل‌ها یافت می‌شود.

دینامیک سیالات محاسباتی سه بعدی گزینه مقرون به صرفه‌تری نسبت به مدل‌سازی فیزیکی هنگام بررسی جریان‌های پیچیده در اطراف پایه‌ها و تکیه‌گاه‌های پل است. این مزیت را دارد که کاربر می‌تواند اطلاعات سرعت و تنش برشی را در هر مکان استخراج کند و آزمایش‌ها نشان داده‌اند که از نظر پیش‌بینی‌ها برای پروفایل سطح آب، به طور مطلوبی با مدل‌های فیزیکی مقایسه می‌شود.

پیش‌بینی تنش برشی برروی بستر موجود در حال حاضر خروجی قوی است؛ زیرا می‌تواند مناطق بالقوه سایش مواد بستر موجود را شناسایی کند و انتخاب مواد برای حفاظت از آب‌شستگی را در مقایسه با تنش برشی بحرانی برای اندازه‌های مواد بستر خاص (ماسه‌ها، شن‌ها و سنگفرش‌ها) راهنمایی کند. ما همچنین می‌توانیم مستقیماً مدل هیدرولیک را به مدل انتقال رسوب برای پیش‌بینی تکامل بستر پیش‌بینی‌شده برای ترکیب مواد بستر خاص مرتبط کنیم.

زهکشی شهری با استفاده از شبیه سازی CFD

یکی از مشکلات بزرگ یک شهر بزرگ، سیل شهری است. پیش بینی دقیق جریان‌های زهکشی شهری در کاهش یا حذف خطرات سیل بسیار مهم است. سیستم زهکشی شهری تنها وسیله انتقال سیلاب از مناطق شهری در بیشتر شهرها است. سیستم اصلی، که به عنوان سیستم زمینی نیز شناخته می شود، از مسیرهای سطحی و فضاهای ذخیره موقت تشکیل شده است، و سیستم فرعی که به عنوان سیستم زیرزمینی نیز شناخته می2شود، از لوله‌ها و سوراخ‌های نگهداری تشکیل شده است.

اهداف مدل سازی مهندس عمران و محیط زیست و الزامات مقیاس با الزامات یک مهندس خودرو متفاوت است. طراحی سازه‌ها و جریان‌ها در مقیاس بزرگ، جریان‌های چندفازی، از جمله جریان‌های گاز-مایع، جامد-مایع، و مایع-مایع، و همچنین فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی، برای مهندسان عمران و محیط زیست معمول است.

علم CFD خود را به عنوان یک ابزار مفید برای بررسی فضای دامنه برای طراحی سیستم فیزیکی و متغیرهای عملکردی و برای تشخیص یا عیب‌یابی رفتار سیستم در نسخه معاصر خود به عنوان نرم‌افزار مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) معرفی می‌کند. هنگامی که تعداد زیادی از تغییرات طراحی نیاز به تجزیه و تحلیل دارند یا زمانی که آزمایش فیزیکی ممکن است به دلیل محدودیت‌هایی مانند مقیاس، هزینه، دسترسی یا وجود خطرات فیزیکی یا محیطی مجاز نباشد، استفاده از CFD ممکن است مکمل یا جایگزین تکنیک‌های تحلیلی موجود باشد.

این پست فقط به چند کاربرد CFD نگاه می‌کند که می‌تواند به بهبود سازه‌های هیدرولیکی در مهندسی عمران کمک کند. تجارت مکانیکی کاربردهای CFD زیادی دارد، از سرریز تا مدل‌سازی کانال باز با خروجی جانبی، آلودگی آب در رودخانه پرپیچ‌وخم، و رسوب‌گذاری در کانال‌های فاضلاب شهری برای ارزیابی پارامترهای اصلی مانند سرعت، کسر حجمی، فشار و همه مواردی که چالش های کلیدی در این صنعت هستند.

بیشتر جنبه‌های صنعت سازه‌های هیدرولیکی بر دینامیک سیالات متکی است. اگرچه نمونه‌های اولیه فیزیکی برای مراحل بعدی توسعه مورد نیاز است، مطالعات CFD ممکن است به طور قابل توجهی سرعت طراحی و بهینه سازی را در مراحل اولیه افزایش دهد.

خدمات پردازشگران مهر

شرکت پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای سازه‌های هیدرولیک صنعتی و تحقیقاتی انجام داد. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. به عنوان مثال، شبیه سازی سرریز برای دستیابی به پارامترهای کلیدی راه حل انجام می‌شود.

سرریزها سازه‌هایی هستند که برای هدایت سیلاب و آب اضافی از بالای سد به پایین استفاده می‌شوند. درواقع سرریزها سازه‌هایی با ارتفاع مشخص هستند که وقتی ارتفاع آب از ارتفاع آن بیشتر شود، آب بیشتری آزاد می‌کنند. انواع مختلفی شامل سرریزهای اوجی، پله‌ای، جانبی، نیلوفر آبی، تونلی، سیفونی و سایر سرریزها می‌باشد. مسأله حاضر حرکت آب را از طریق سرریز شبیه سازی می‌کند.

پس از برخورد با بدنه سد، سطح هیدرولیکی آب بالا می‌رود و مازاد آن از بالای سرریز به داخل خروجی رها می‌شود. این مطالعه به چگونگی رفتار جریان آب در حضور هوا پس از عبور از یک سرریز می‌پردازد.

پروژه‌ای که بعد از این می‌آید به یک کانال باز می‌پردازد. کانال‌های باز طبیعی یا مصنوعی هستند که برای حمل و نقل آبی یا خدمات وسایل نقلیه حمل‌ونقل آبی استفاده می‌شوند. همچنین ممکن است برای آبیاری مفید باشند. شاید بتوان آن را رودخانه‌ای ساخته شده در نظر گرفت. این روزها، کاربردهایی مانند کانال‌های هوا و انتقال آب توجه زیادی را به استفاده از کانال‌ها در تجارت جلب کرده است. استفاده از کانال‌ها نیز تأثیر بسزایی در اندازه و ساختار آنها دارد. در این تحقیق از نرم افزار ANSYS Fluent برای بررسی جریان داخل یک کانال باز با خمش 180 درجه و خروجی جانبی استفاده شده است.

آلودگی آب، اجسام آبی را معمولاً درنتیجه فعالیت‌های انسانی، به گونه‌ای آلوده می‌کند که بر مصارف قانونی آن تأثیر منفی می‌گذارد. انتشار آلودگی، ارائه خدمات اکوسیستمی را که به طور معمول انجام می‌دهد، برای جسم آبی دشوارتر می‌کند. آلودگی آب‌های سطحی و آلودگی آب‌های زیرزمینی دو نوع مختلف از آلودگی آب هستند.

در این تحقیق از نرم افزار Ansys Fluent برای شبیه سازی عددی آلودگی آب در رودخانه پر پیچ و خم استفاده شد. دو پروفیل ورودی دایره‌ای شکل در ابتدای رودخانه به آلاینده‌ها اجازه می‌دهد تا وارد سیستم شوند و در آب پخش شوند. آلاینده‌ها به دلیل چگالی کمتر از آب به سطح رودخانه‌ها آسیب می‌رسانند و به دلیل حرکت آب، آلودگی در طول رودخانه حرکت می‌کند.

پروژه دیگری از نرم افزار ANSYS Fluent برای شبیه سازی مسأله رسوب گذاری در کانال فاضلاب شهری رسوب گذاری در کانال فاضلاب شهری استفاده می‌کند. یکی از پدیده‌های مضر در کیفیت عملکرد هر دستگاه، پدیده ته‌نشینی است. هنگامی که سیال پایه دارای ذرات محلول بیش از حد باشد، ممکن است رسوب ایجاد شود. به عنوان مثال، یک پدیده ته‌نشینی زمانی اتفاق می‌افتد که آب حاوی ذرات ماسه به داخل کانال جریان می‌یابد و با موانعی در مسیر برخورد می‌کند یا تغییر جهت ناگهانی در کانال را تجربه می‌کند. این بدین علت است که ذرات ماسه محلول در این نواحی نسبت به جریان اصلی آب راکد و کند می‌شوند.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی سازه‌های هیدرولیکی

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی سازه‌های هیدرولیکی به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• سازه‌های سد
• گذر ارگانیسم‌های آبزی (AOP)
• مشخصه‌های رودخانه
• دریاچه ها و سیستم‌های ساحلی
• انتقال رسوب و آب‌شستگی
• بهترین ابزار مدیریت آب رگباری
• سازه‌های آب رگباری
• سیستم‌های تصفیه آب و فاضلاب شهری
• مخازن و فرآیندهای تصفیه آب
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی سازه‌های هیدرولیکی را در فروشگاه آموزشی بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی سازه‌های هیدرولیکی به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.