رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست
نشریه علمی

بررسی عددی تأثیر هندسه لبه پله بر رفتار هیدرودینامیکی جریان در سرریزهای پلکانی با استفاده از FLOW-3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

الهام کریم زاده 1
مهدی ملازاده 2

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

10.22034/nawee.2026.579642.1211
چکیده
هدف: هدف این پژوهش، بررسی عددی تأثیر سه هندسه مختلف لبه پله ساده، مدور و مشبک بر رفتار هیدرودینامیکی جریان و میزان استهلاک انرژی در یک سرریز پلکانی با ده پله است. به‌علاوه برای ارزیابی استهلاک انرژی، پروفیل‌های سرعت و نوسانات فشارِ مرتبط با هر طراحی لبه انجام شده است تا هندسه بهینه برای پایداری جریان شناسایی شود.
مواد و روش‌ها: از شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی در نرم‌افزار FLOW-3D با استفاده از روش حجم سیال (VOF) و مدل آشفتگی (RNG) k-ε بهره گرفته شد. شبیه‌سازی‌ها برای دبی 09/0 مترمکعب بر ثانیه انجام و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی گردید که میانگین خطای مطلق (MAPE) بین ۵ تا ۸ درصد را نشان داد.
نتایج: سرریز لبه‌دار مشبک با کاهش ۱۵ تا ۲۰ درصدی سرعت جریان نسبت به لبه ساده، بیشترین استهلاک انرژی را ایجاد می‌کند. با وجود اینکه میزان فشار مثبت در وجه افقی پله‌های لبه‌دار مشبک نسبت به سرریز پلکانی لبه‌دار ساده 4/16 درصد افزایش یافته است ولی سرریزهای دارای لبه ساده و مدور رفتار پایدارتری در برابر فشارهای منفی در وجه قائم پله‌ها از خود نشان می‌دهند و برای شرایطی که پایداری جریان و جلوگیری از خستگی سازه یا خطر پدیده کاویتاسیون در اولویت است، گزینه‌های ایمن‌تری محسوب می‌شوند.
نتیجه‌گیری: گرچه سرریز لبه‌مشبک بالاترین نرخ استهلاک انرژی را دارد، به دلیل ایجاد نوسانات شدید که ریسک کاویتاسیون و خستگی سازه را افزایش می‌دهد گزینه مطلوبی نیست. سرریز پلکانی لبه ساده به دلیل عملکرد هیدرودینامیکی مناسب، پایداری جریان، سادگی ساخت و هزینه کمتر به عنوان گزینه عملی بهینه پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

سرریز پلکانی
FLOW-3D
مدل RNG
استهلاک انرژی
هندسه لبه پله

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Step Edge Geometry Effects on Hydrodynamic Flow Behavior in Stepped Spillways Using FLOW-3D

نویسندگان English

Elham Karimzadeh 1
Mahdi Mollazadeh 2
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Birjand University, Birjand, Iran.
2 Department of civil engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
چکیده English

Objective: This study aims to numerically examine the effect of three different step edge shapes: plain, grated, and circular types, on the complex hydrodynamic characteristics of flow over a ten-step spillway. It also seeks to assess energy dissipation, velocity distribution, and pressure variations for each configuration to determine the most suitable geometry for stable flow conditions.
Methods: Three-dimensional numerical simulations were carried out using FLOW-3D. The Volume of Fluid method along with the RNG turbulence model was applied. Simulations were performed at a constant discharge of 0.09 m³/s. The numerical outcomes were compared with reliable experimental data for validation. The comparison showed good agreement, with an average relative error ranging from 5% to 8%.
Results: The meshed-edge spillway creates the highest energy dissipation by reducing the flow velocity by 15 to 20 percent compared to the simple edge. Although the positive pressure on the horizontal face of the meshed-edge steps increased by 16.4% compared to the simple-edge spillway, spillways with simple and circular edges exhibit more stable behavior against negative pressures on the vertical faces of the steps. Therefore, they are safer options for conditions where flow stability and the prevention of structural fatigue or cavitation risk are priorities.
Conclusions: Despite its higher energy dissipation capacity, the grated edge is not recommended because it generates strong fluctuations that increase the likelihood of cavitation and structural damage. The plain edge is suggested as the best practical option due to its acceptable hydraulic performance, flow stability, simpler construction, and lower cost.

کلیدواژه‌ها English

Stepped spillway
FLOW-3D
RNG model
Energy dissipation
Step edge geometry
ایرانپور، ع.، اگدرنژاد، ا.، و حیدرنژاد، م (1403). بررسی عددی استهلاک انرژی در سرریزهای کلیدپیانویی بافل دار. رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط زیست، 3(1)، 55-70.
ماجدی‌اصل، م؛ مومنی، م.ر.، نیک‌مهر، س.، امیدپورعلویان، ت. (۱۴۰۵). بررسی آزمایشگاهی و عددی دبی جریان در فلوم‌های SMBF با استفاده از Flow3D و مقایسه با روابط انرژی. رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط زیست، 5(1)، 1-20.
Amador, A., Sánchez-Juny, M., Dolz, J., 2006. Developing flow region and pressure fluctuations on steeply sloping stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 132(7), pp.749-752. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:7(749)
Bai, R., Zhang, J., Zhao, M., 2017. Numerical study of flow characteristics over stepped spillways with different step shapes. Water Science and Engineering, 10(1), pp.67-75. https://doi.org/10.1016/j.wse.2017.03.003
Boes, R. M., Hager, W. H., 2003. Two-phase flow characteristics of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 129(9), pp.661-670. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:9(661)
Bombardelli, F. A., Meireles, I., Matos, J., 2011. Laboratory measurements and multi-block numerical simulations of the mean flow and turbulence in the non-aerated region of skimming flows. Environmental Fluid Mechanics, 8(5), pp. 463-480. https://doi.org/10.1007/s10652-010-9188-5
Bung, D., 2013. Non-intrusive detection of air-water surface roughness in self-aerated chute flows. Journal of Hydraulic Research, 51(3), pp. 322-329. https://doi.org/10.1080/00221686.2013.777372
Chanson, H., 1994. Hydraulics of skimming flow over stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 120(5): 584-593. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1994)120:5(584)
Chanson, H., Toombes, L., 2002. Air-water flows on stepped chutes: experimental investigation of self-aeration and turbulence. International Journal of Multiphase Flow, 28(11), pp. 1737-1761. https://doi.org/10.1016/S0301-9322(02)00043-3
Cheng, X., Chen, Y., Luo, L., 2006. Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways. Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), pp. 674-684. https://doi.org/10.1007/s11431-006-2035-7
Chow, V.T., 1959. Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York.
Christodoulou, G. C., 1993. Energy dissipation on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 119(5).
Dermawan, V., Legono, D., 2011. Residual Energy and Relative Energy Loss on Stepped Spillway. Journal of Applied Technology in Environmental Sanitation, 1(4).
Felder, S., Chanson, H. 2011. Energy dissipation down a stepped spillway with nonuniform step heights. Journal of Hydraulic Engineering, 137(11), pp.1543-1548. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000455
Felder, S., Guenther, P., Chanson, H., 2012. Air-water flow properties and energy dissipation on stepped spillways: A physical study of several pooled stepped configurations. Report CH 87/12, School of Civil Engineering, The University of Queensland, Brisbane, Australia.
Felder, S., & Chanson, H. 2014. Effects of step pool porosity upon flow aeration and energy dissipation on a stepped spillway. Journal of Hydraulic Engineering, 140(4), p.04014002. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000858
Ghaderi, A., Abbasi, S., & Di Francesco, S. (2021). Numerical Study on the Hydraulic Properties of Flow over Different Pooled Stepped Spillways. Water, 13(5), 710. https://doi.org/10.3390/w13050710
Ghaderi, D., Ebrahimnezhadian, H., Mollazadeh, M. 2023. A three-dimensional study of flow characteristics over different forms of stepped–labyrinth spillways in the skimming flow regime. AQUA-Water Infrastructure, Ecosystems and Society, 72(8), pp.1415-1430. https://doi: 10.2166/aqua.2023.030
Ghaderi, D., Ebrahimnezhadian, H., Mollazadeh, M. 2024. Three-dimensional analysis of the performance of circular stepped spillways in the skimming flow regime. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng, 46, p. 415. https://doi.org/10.1007/s40430-024-05004-8
Gonzalez, C. A., & Chanson, H. 2008. Physical modeling of stepped spillways with macro-roughness. Journal of Hydraulic Research, 46(2), pp. 226-238. https://doi.org/10.1080/00221686.2008.9521858
Hirt, C.W., Nichols, B.D., 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), pp. 201-225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Ikinciogullari, E. (2021). Energy dissipation performance of the trapezoidal stepped spillway. Journal of Engineering Research, 11(2A), 131–142. https://doi.org/10.36909/jer.13649
Iranpour, A., Egdernezhad, A & Heidarnejad, M. (2024) Numerical investigation of energy losses in baffled piano key weirs. Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 3(1), 55-70. https://doi.org/10.22034/nawee.2024.451817.1069 (In Persian).
Majedi Asl, M., Momeni, M. R., Nikmehr, S & Omidpour Alavian, T. (2026) Laboratory and Numerical Investigation of Flow Rate in SMBF Flumes Using Flow3D and Comparison with Energy Equations.  Journal of New Approaches in Water Engineering and Environment, 5(1), 1-20. https://doi.org/10.22034/nawee.2025.517806.1152 (In Persian).
Ohatsu, I., Yasuda, Y., Takahashi, M. 2004. Flow characteristics of stepped channel chutes. Journal of Hydraulic Engineering, 130(9), 860-870. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:9(860)
Peyras, L., Royet, P., Degoutte, G., 1991. Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs. Journal of Hydraulic Engineering, 118(5), pp. 707-717. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:5(707)
Rajaratnam, N., 1990. Skimming flow in stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 116(4), pp. 587-591. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:4(587)
Tabbara, M., 2004. Numerical simulation of flow over stepped spillways. In: Proceedings of the 4th International Conference on Fluvial Hydraulics, River Flow 2004, Napoli, Italy.
Tabbara, M., Chatila, J., Awwad, R., 2005. Computational simulation of flow over stepped spillways. Computers & Structures 83 (27-28), pp.2215-2224. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2005.04.005
Teng, P., Yang, J., Pfister, M., 2021. Studies on the turbulence models for the flow over stepped spillways. Journal of Hydraulic Research, 59(4), pp. 636-648. https://doi.org/10.1080/00221686.2020.1818306
Toro, M., Chanson, H. 2016. Energy dissipation and flow patterns on stepped spillways: effects of step geometry. Journal of Hydraulic Research, 54(4), pp.374-386. https://doi.org/10.1080/00221686.2016.1147500
Valero, D., Bung, D. B., Crookston, B. M., 2023. Energy dissipation and cavitation potential on stepped spillways: the role of mesh resolution in CFD. Journal of Hydraulic Engineering, 149(2), pp. 04022031. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0002041
Wan, X., Zhang, Y., Li, J., 2018. Numerical simulation of cavitation characteristics over high-speed stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering 144(5), p.04018012. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001452
Zhai, Y., Liu, H., Wang, Y., 2024. Hydrodynamic characteristics and aeration inception on modified stepped spillways. International Journal of Multiphase Flow, 172: 104689. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104689
Zhang, G., Chanson, H., Wang, H., 2022. Micro-pressure fluctuations and flow separation on step edges of a steep stepped chute. Experimental Thermal and Fluid Science, 130: 110515. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2021.110515
رویکردهای نوین در مهندسی آب و محیط‌زیست
دوره 5، شماره 3
پاییز 1405
صفحه 187-209

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما