بشر از دیرباز با ساخت سدها جهت رفع نیازهای آبی خود آشنا بوده است. از قرن گذشته با گسترش علم و تکنولوژی، ساخت انواع مختلف سدهای بلند با مهار جریانهای سطحی جهت تأمین نیازهای آب کشاورزی، صنعتی، شرب و کنترل سیلاب و تولید نیروی برقآبی توسعه یافت. در این سدها سرریز به عنوان یکی از سازههای هیدرولیکی وابسته، نقش خطیر تخلیه‌ی سیلاب‌های ورودی به مخزن سد را با ایمنی کافی در حالت جریان آزاد یا تحت فشار به پایین‌دست را به عهده دارد. یکی از مشکلات عمده مطرح در سرریز سدهای بلند مسئله‌ی احتمال وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون و تخریبهای ناشی از آن در بستر و جداره‌ی بتنی سرریزهاست که نه تنها عملکرد هیدرولیکی این سازهها و سد را دچار اخلال می‌نماید بلکه خسارات قابل‌توجهی را به سازه‌ی سرریز وارد می‌نماید. ازجمله سرریزهایی که در اثر بروز این پدیده دچار آسیب گردیده‌اند میتوان به سرریز تونلی سد گلن کانیون[1] در آمریکا و سرریز آزاد سد کارون1 در کشورمان اشاره نمود.
در سرریز سدهای بلند به دلیل بالا بودن سرعت جریان (بیش از m/s 20) هرگونه تغییر در هندسه‌ی مجرا، زبری بستر و جدار، انحنا در مسیر جریان و وجود درزهای اجرایی در جدار موجب جداشدگی جریان از جداره‌ی مجرا و کاسته شدن موضعی فشار از میزان فشار بخار آب می‌گردد. در این صورت با بروز پدیده‌ی کاویتاسیون، آب در دمای محیطی خود از حالت مایع به حالت به بخار تبدیل و حباب‌های کاویتاسیون (حباب‌های بخار آب) تشکیل می‌شوند که با حرکت همراه آب به مناطق با فشار بالا از بین می‌روند. اضمحلال این حباب‌های
کاویتاسیون که توأم با تولید موج‌های فشاری قوی ناشی از انفجار حباب‌ها و آزاد شدن مقدار قابل توجه انرژی میباشد، اگر در نزدیکی جداره‌ی سرریز رخ دهد باعث فرسایش و خوردگی سطح بتنی سرریز گردیده و در صورت تداوم، خسارات هنگفتی را به جداره و سازه وارد می‌نماید.
تحقیقات صورت گرفته در زمینه‌ی بررسی پدیده‌ی کاویتاسیون و روشهای پیشگیری از آن در سرریزها نشان داده است که استفاده از بتن مقاوم و اصلاح انحنا و جداره جریان، سرریزهای پلکانی و هوادهی به جریان از روشهای مناسب جهت پیشگیری وقوع این پدیده و کاهش خسارات ناشی از آن میباشند که در این بین موثرترین و اقتصادی‌ترین روش برای پیشگیری و کاهش خسارات ناشی از این پدیده، هوادهی میباشد.
ورود هوا به داخل جریان در سرریزها باعث تغییر بسیاری از خصوصیات جریان میشود که از جمله آنها میتوان به تغییرات در چگالی جریان، تغییرات سرعت و فشار و تغییر وضعیت توربولانسی جریان اشاره کرد که برخی از این تغییرات مفید و برخی دیگر برای سیستم هیدرولیکی مورد مطالعه مضر میباشند.
هزینه گزاف و مدت زمان طولانی احداث سازههای هیدرولیکی و توجه به اینکه هنوز انجام آزمایش کماکان به عنوان دقیقترین روش در بررسی مسائل و مشکلات پیش روی اینگونه سازهها مطرح میباشد، محققان و طراحان را بر آن داشته تا با شبیه سازی جریان واقعی بر روی مدلهای فیزیکی و انجام آزمایشات گوناگون در پی مرتفع کردن مشکلات و مسائل مذکور باشند. بدین دلیل استفاده از مدلهای عددی در دهههای اخیر بسیار توسعه یافته است.
مهمترین امتیاز یک برآورد محاسباتی عددی، هزینه پایین و سرعت قابل ملاحظه آن است. همچنین حل عددی مسائل، اطلاعات کامل و جزئیات لازم را به ما خواهد داد و مقادیر متغیرهای مربوطه را در سراسر حوزه مورد مطالعه به دست میدهد. برخلاف شرایط نامطلوبی که ضمن آزمایش پیش میآید، مکانهای غیرقابل دسترس در کارهای محاسباتی عددی کم میباشد. بدیهی است از هیچ بررسی آزمایشگاهی نمیتوان انتظار داشت تا تمام متغیرهای دخیل در پدیده مورد مطالعه را در کل میدان جریان اندازه گیری نماید بنابراین جهت تکمیل اطلاعات آزمایشگاهی، حل عددی هم زمان نیز ضرورت پیدا میکند.
1-2 بیان مسئله
سالهای مدیدی است که حوادث مربوط به پدیده‌ی کاویتاسیون ذهن مهندسان را در نقاط مختلف جهان به خود معطوف کرده است. پدیده‌ی کاویتاسیون پدیده‌ی نام آشنایی است که در اکثر سازههای هیدرولیکی که در معرض جریان‌هایی با سرعت بالا قرار دارند ازجمله سرریز سدها، به عنوان یک خطر و چالش بزرگ مهندسی تلقی میشود. البته لازم به ذکر است که عامل موثر بر روی این پدیده تنها به سرعت محدود نمی‌شود و وجود مجموعه‌ای از عوامل متعدد منجر به وقوع این پدیده می‌گردد.
در سرریزهای بلند در نواحی انتهایی، سرعت جریان فوق‌العاده افزایش و عمق جریان کاهش می‌یابد. ترکیب این عوامل باعث کاهش شاخص کاویتاسیون[2] می‌گردد. در نتیجه نقطه‌ای از سازه با نامنظمی نرمال می‌تواند تبدیل به نقطه‌ی شروع کاویتاسیون در سازه گردد. در چنین حالتی این امکان وجود دارد که با کاهش سرعت جریان و یا با افزایش فشار جریان در مرزها از وقوع این پدیده جلوگیری کرد. توجه به این امر ضروری است که شکل هندسی سرریز نیز در وقوع و یا عدم وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون نقش قابل ملاحظه‌ای ایفا میکند. برای جلوگیری از وقوع پدیده‌ی کاویتاسیون باید موقعیت نقاطی را که در آنها ممکن است با افزایش سرعت، فشار تا حد فشار بخار مایع کاهش می‌یابد، شناسایی کرد.
هوادهی جریان به عنوان عامل موثر در از بین بردن یا کاهش تخریبهای ناشی از کاویتاسیون در سرریزهای آزاد و تونلی تحتفشار، تاثیر قابل توجهی بر روی ساختار هیدرولیکی جریان از جمله میدانهای فشار و سرعت داشته و در سالهای اخیر شناخت صحیح الگوی جریان و تاثیرات ناشی از هوادهی در سرریزهای تحتفشار دارای سیستم هواده، از جمله مباحث مورد مطالعه تعدادی از محققین بوده و به علت پیچیدگی خاص جریانهای دو فازی و روشن نبودن دقیق ارتباط میان هوادهی جریان با کاهش خسارات ناشی از کاویتاسیون، هنوز به مطالعات دامنهداری در خصوص این موضوع نیاز میباشد.
[1] Glen Canyon
[2] Cavitation Index
