اعتبارسنجی مدل عددی در پیش‌بینی دبی جریان مستغرق با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی آبخیز، گروه احیاء مناطق خشک و کوهستانی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 استاد گروه علوم و مهندسی آبخیز، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران

3 استادیار، گروه سازه‌های هیدرولیکی، موسسه تحقیقات آب، تهران، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزیو منابع طبیعی دانشگاه فسا، فسا، ایران

10.22059/jwim.2026.411597.1291

چکیده

اندازه‌گیری دقیق دبی جریان در شرایط مستغرق همچنان یکی از چالش‌های اساسی در شبکه‌های آبیاری و زهکشی محسوب می‌شود. فلوم‌های قابل‌حمل SMBF، علی‌رغم کاربرد گسترده، در شرایط استغراق با کاهش دقت مواجه هستند. در این پژوهش، عملکرد هیدرولیکی فلوم SMBF تحت شرایط مستغرق از طریق بررسی تلفیقی آزمایشگاهی و مدل‌سازی عددی با استفاده از شبیه‌ساز Flow-3D ارزیابی شد. آزمایش‌ها در یک فلوم مستطیلی با نسبت‌های تنگ‌شدگی (r=0.342) و (r=0.561) انجام شد. در مدل‌سازی عددی، از مدل آشفتگی RNG و روش حجم سیال (VOF) برای بازسازی دقیق سطح آزاد استفاده گردید. عملکرد مدل با معیارهای RMSE، NSE، شاخص کلینگ–گوپتا (KGE) و تحلیل حساسیت مش ارزیابی شد. نتایج نشان داد که نسبت تنگ‌شدگی (r=0.342) بیشترین انطباق را با داده‌های آزمایشگاهی داشته، در حالی‌که افزایش آن به (r=0.561) موجب کاهش دقت مدل شده است. همچنین، شبکه بهینه با اندازه سلول حدود یک‌صدم متر و تعداد سلول بین 105× 5/7 تا 106 ×1/1، تعادل مناسبی میان دقت عددی و هزینه محاسباتی ایجاد کرد. وجه نوآوری اصلی این پژوهش در ارائه یک چارچوب تلفیقی شامل مدل‌سازی عددی سه‌بعدی، تحلیل حساسیت مش و استفاده از شاخص KGE برای ارزیابی چندبعدی عملکرد مدل در شرایط جریان مستغرق است. این رویکرد، برخلاف مطالعات پیشین که عمدتاً بر شاخص‌های رایج تمرکز داشته‌اند، امکان تحلیل همزمان دقت، پایداری و تغییرپذیری جریان را فراهم می‌سازد و درک عمیق‌تری از رفتار هیدرولیکی فلوم SMBF ارائه می‌دهد. این یافته‌ها می‌توانند به‌طور مستقیم در کالیبراسیون فلوم‌های SMBF و بهبود دقت اندازه‌گیری در شبکه‌های آبیاری مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Validation of the Numerical Model for Submerged Flow Discharge Prediction Based on Experimental Measurements

نویسندگان [English]

  • Bahare Rastipishe 1
  • Ali Salajegheh 2
  • younes aminpour 3
  • amirhossein parsamehr 4
1 Department of Arid and Mountainous Region Reclamation, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj
2 Department of Watershed Engineering Faculty of Natural Resources University of Tehran
3 Hydraulic and Aquatic Environment Engineering Research Institute, Water Research Institute, Ministry of Energy, Tehran, Iran.
4 Department of Rangeland and Watershed Management (Nature Engineering), Faculty of Agriculture, Fasa University, Fasa, Iran.
چکیده [English]

Accurate discharge measurement under submerged flow conditions remains a major challenge in irrigation and drainage networks. Portable SMBF flumes, despite their widespread application, experience reduced accuracy under submergence conditions. In this study, the hydraulic performance of an SMBF flume under submerged conditions was evaluated through an integrated experimental and numerical approach using the Flow-3D simulator. Experiments were conducted in a rectangular flume with contraction ratios of (r=0.342) and (r=0.561). In the numerical modeling framework, the RNG turbulence model and the Volume of Fluid (VOF) method were employed to accurately capture the free-surface dynamics. Model performance was assessed using RMSE, NSE, the Kling–Gupta Efficiency (KGE) index, and a systematic mesh sensitivity analysis. The results indicated that the contraction ratio (r=0.342) showed the best agreement with experimental data, while increasing the contraction ratio to (r=0.561) led to a reduction in model accuracy. Furthermore, an optimal grid configuration with a cell size of approximately one hundredth of a meter and a total number of cells between 105× 7/5 and 106 ×1/1 provided a suitable balance between numerical accuracy and computational cost. The main novelty of this study lies in presenting an integrated framework combining three-dimensional numerical modeling, mesh sensitivity analysis, and the application of the KGE index for multi-dimensional performance evaluation under submerged flow conditions. This approach enables simultaneous assessment of accuracy, stability, and variability of flow. The findings can be directly applied to the calibration of SMBF flumes and the improvement of discharge measurement accuracy in irrigation networks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow-3D
  • Kling–Gupta Efficiency (KGE)
  • Numerical modeling
  • SMBF flume