شبیه سازی جریان آب در محیط متخلخل با سطح آزاد با بهره‌گیری از مدل شبکه ترکیبی 1- آنالیز شبکه ترکیبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی/ بخش معماری، دانشکده هنر و معماری دانشگاه شیراز

2 عضو هیئت علمی/ بخش راه وساختمان، دانشکده مهندسی دانشگاه شیراز

چکیده

شبیه‌سازی جریان در محیط متخلخل، کاربردهای متعدد و متنوعی در طراحی سدهای پاره سنگی، فیلترهای شنی، بهره‌برداری موثر از منابع آب زیر‌زمینی و مخازن نفت دارد. ظرف صد سال گذشته، تلاش‌های متعددی به منظور شبیه سازی جریان در محیط متخلخل با بهره‌گیری از قوانین دارسی و غیر دارسی صورت پذیرفته است. به لحاظ ماهیت جریان که بخشی از دامنه فیزیکی تحت فشار و نواحی مجاور سطح آزاد در معرض فشار جو می‌باشد، در این تحقیق مدل ترکیبی تحت فشار-سطح آزاد متشکل از شبکه‌ای از مجاری به هم پیوسته به منظور شبیه‌سازی جریان توصیه گردیده است. در مدل مزبور به دلیل اینکه لوله‌ها در اطراف شبکه باز و در ارتباط با اتمسفر می‌باشند، امکان ایجاد فشار منفی در کل شبکه وجود ندارد و به محض اینکه در نقطه‌ای از جریان، فشار منفی گردد، هوا وارد سیستم می‌شود. با توجه به این ویژگی، آنالیز چنین شبکه‌ای با استفاده از روشهای معمول مقدور نبوده و لذا هدف این مقاله، تدوین و ارائه روشی جهت آنالیز این نوع شبکه‌های ترکیبی می‌باشد. در ادامه به منظور ارزیابی و بررسی صحت و سقم فرض‌های بکار رفته در روش پیشنهادی و مدل کامپیوتری مربوطه، مبادرت به ساخت مدل آزمایشگاهی شبکه نظیر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی دانشگاه شیراز گردیده است. مقادیر گذر حجمی و پروفیل سطح آب در شرایط ماندگار برای مقادبر مختلف عمق بالادست پایش گردیده و از بانک اطلاعاتی بدست آمده برای واسنجی و ارزیابی اعتبار مدل تبیینی استفاده موثر بعمل آمده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی دلالت بر انطباق نسبتاً مناسب مقادیر مشاهده‌ای و محاسبه شده و نهایتاً صحت روش پیشنهادی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Flow in Porous Media Using Coupled Pressurized-Free Surface Interconnected Conduit Network 1- Network Analysis

نویسندگان [English]

  • S. H Afzali 1
  • M. J Abedini 2
  • P Monadjemi 2
1 Assistant Prof. Dept. of Architectural Engineering, School of Art and Architecture, Shiraz University, Shiraz, Iran
2 Associate Professor, Dept. of Civil Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Simulation of fluid flow in porous media has a wide range of applications including design of rockfill embankments, design of sand filters, or efficient management of ground water and oil reservoirs. Various efforts have been made during the past century to conduct such simulation modeling using both Darcy and non-Darcy laws. The nature of flow in porous media consists of a part which is under pressure and another part near the phreatic line which is exposed to atmosphere. Accordingly, a coupled pressurized-free surface flow model should be conceptualized using the network of pore body and pore throat. An effective modeling tool like an open source public domain software can then be used. In this study EPANET was modified to accommodate the nature of flow involved. For the verification purposes, a physical model was built in the Hydraulic Lab at the School of Engineering in Shiraz University. Steady state water surface profile and outflow discharge were monitored for different upstream water levels. This data were then used to calibrate and validate the developed computer model. Results showed that a satisfactory agreement between computer model and experimental records can be obtained for a wide range of upstream flow conditions. In a majority of cases, computer model captures more than 99% of variability in observed outflow discharge or water surface profile.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-Darcy flow
  • Flow through rockfill
  • Network model
  • EPANET
  • Porous media

افضلی، س. ح.، عابدینی، م. ج. و منجمی، پ. (1387)، "تعیین ویژگی‌های فیزیکی شبکه معادل در تحلیل جریان درون محیط‌های متخلخل با استفاده از مدل‌های شبکه‌ای، مجله علمی و پژوهشی آب و فاضلاب، شماره 68، صفحه 48-56.

Acharya, R. C., Zee, S. E. A. T. M. and Leijnse, A. (2004), "Porosity-permeability properties generated with a new 2-parameter 3D hydraulic pore-network model for consolidated and unconsolidated porous media", Adv. Water Recour. 27: pp. 707-723.

Al-Raoush, R., Thompson, K. and Wilson C. S. (2003), "Comparison of network generation techniques for unconsolidated porous media", Soil Sci. Soc. Am. J. 67: pp. 1678-1700.

Beven, K. J. (1993), "Prophecy, reality and uncertainty in distributed hydrological modeling", Adv. Water
    Resour.
16: pp. 41-51.

Beven, K .J. (2000), "Uniqueness of place and process representations in hydrological modeling", Hydrol. Earth Syst. Sci. 4(2): pp. 203-213.

Bhave, P.R. (1991), Analysis of Flow in Water Distribution Networks. Technomic Publishing. Lancaster, PA.

Constantinidis, G. N. and Payatakes, A. C. (1996), "Network simulation of steady-state two-phase flow in consolidated porous media", AICHE J. 42: pp. 369-379.

Dunlop, E.J. (1991), WADI Users Manual. Local Government Computer Services Board, Dublin, Ireland.

Fischer, U. and Celia, M. A. (1999), "Prediction of relative and absolute permeabilities for gas and water from soil water retention curves using a pore-scale network model", Water Resour. Res. 35(4): pp. 1089- 1100.

Held, R. J. and Celia, M. A. (2001a), " Modeling support of functional relationships between capillary pressure, saturation, interfacial area and common lines", Adv. Water Resour. 24: pp. 325-343.

Held, R. J. and Celia, M. A. (2001b), "Pore-scale modeling extension of constitutive relationships in the range of residual saturations", Water Resour. Res. 37(1): pp. 165-170.

Herrera, N. M. and Felton, G. K. (1991), "Hydraulics of flow through a rockfill dam using sediment-free water", Trans. ASAE. 34(3): pp. 871– 875.

Hosseini, S. M. (1997), Development of an unsteady nonlinear model for flow through coarse porous media, School of Eng., PhD. Thesis, The University of Guelph, Guelph, Canada. 562 p.

Jeannine, P. (2001), "Modeling flow in phreatic and epiphreatic karst conduits in the Holloch cave" (Muotatal, Switzerland), Water Resour. Res. 37(2): pp. 191-200.

 

Li, B., Garga, V. K. and Davies, M. H. (1998), "Relationship for non-Darcy flow in rockfill", J. Hydraul.  Eng. ASCE. 124(2): pp. 206-212.

Mohanty, K. K. and Salter, S. J. (1982), "Multiphase flow in porous media": II. Pore-level modeling, SPE 11-18. Proceedings of the Annual Fall Technical Conference of the SPE-AIME, September 26-29, New Orleans.

Monadjemi, P. (2001), "Multipurpose fluid analog computer". United State Patent Office, No. 6223140.

Stephenson, D. (1979), Rockfill in hydraulic engineering, Elsevier Scientific, New York. 230p.

Thauvin, F. and Mohanty, K. K. (1998), "Network modeling of non-Darcy flow through porous media", Transport porous med. 31: pp. 19-37.

Wang, X., Thauvin, F. and Mohanty, K. K. (1999), "Non-Darcy flow through porous media", Chem. Eng. Sci. 54: pp. 1859-1869.

Ward, J. C. (1964), "Turbulent flow in porous media", J. Hydraul. Eng, ASCE. 92(4): pp. 1–12.