بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اثرات طرح هندسي نامنظم بندر بر پخش و روند رسوب گذاري در داخل بندر
چکيده :
جريان و انتقال رسوب در بررسي بسياري از موضوعات علوم مهندسي ، مانند آبشستگي اطراف سازه هـا، انباشت رسـوب در کـانال ها و مورفـولوژي کـناره هـاي ساحلــي اهميت پيدا مي کنند. عدم مطالعات رژيم رسوب گذاري منطقه در ساخت بنادر و سازهاي ساحلي مي تواند باعث تحميل هزينه هاي بهره برداري سنگين در طول عمر پروژه گشته ، حتي در مواردي منجر به غير اقتصادي و تعطيل شدن طرح شود. دانستن نحوه ي انتقال رسوب در سواحل نقش مهمي در مديريت سواحل ايفا مي کند. کيفيت آب و رسوبات در داخل بنادر به نرخ تخليه آب درون بندر و نيز فعاليت هاي انساني در داخل يا نزديک آن بستگي دارد. در هندسه هاي ترکيبي، فرسايش در گوشه هاي با زاويه باز و انباشت رسوبات در کنجهاي با زاويه تيز بسيار مشهودتر مي باشد. در اين تحقيق اثر تغيير ابعاد هندسي بندر و نيز هندسه هاي ترکيبي در نحوه ي پخشودگي رسوبات معلق و نيز رسوبگذاري در داخل بندر بر اثر جريانات جزر و مدي توسط يک مدل عددي دو بعدي ميانگين گيري شده در عمق مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است . نتايج مزبور مي تواند راهنمايي براي طرح هندسه ي بنادر بوده ، مورد استفاده ي مهندسين طراح قرار گيرد.
کليد واژه : مدل دوبعدي ميانگين گيري شده در عمق ، رسوبگذاري، تخليه ، طرح هندسي بندر، آشفتگي
۱- مقدمه
تا قبل از سال ۱۹۷۰ در ساخت بنادر تنها به جنبه هاي عملي و پهلوگيري بنادر توجه مي شد که اين امر موجب پايين آمدن کيفيت آب درون بندر و تهديد محيط زيست مي گشت . از طرفي با کاهش پديده ي تخليه آب از محيط بندر پديده ي انباشت رسوبات از يک سو، باعث تحميل هزينه هاي مضاعف لايروبي گشته و از سويي ديگر با توجه به خصوصيات شيميايي رسوبات انباشت شده مي تواند پايين آمدن سلامت کيفيت آب از استانداردهاي محيط زيستي را با نرخي سريعتر از حد انتظار موجب شود. از سال ۱۹۷۰ به بعد محققان زيادي نسبت به فرآيند نرخ تخليه آب از محيط داخل بندر علاقه نشان دادند و جنبه هاي مختلف آن را بررسي کرده ، توصيه هاي عملي ارائه نموده اند. به عنوان مثال فولمرس (۱۹۷۶) با يک مدل فيزيکي مطالعات گردابه هاي ايجاد شده در بندر را بررسي نمود. اسکرن (۱۹۷۹) با استفاده از يک مدل عددي گردابه هاي بندر را تحت جريان دائم بررسي کرد. يانگي (۱۹۷۶) اين موضوع را تحت جريانهاي جزر و مدي مشاهده کرد. نوبل (۱۹۷۷)، نيس و همکاران (۱۹۷۹)، فالکنر (۱۹۸۰) نيز از جمله دانشمنداني هستند که در اين زمينه گامهايي را برداشته اند. جعفري و حجازي (۱۳۸۵) نيز تاثير هندسي بندر بر نحوه ي رسوبگذاري در داخل بنادر با هندسه ساده را مطالعه کرده اند. در اينجا به بررسي هندسه هاي پيچيده تر و تاثير آن بر نرخ تخليه و رسوبگذاري در محيط داخلي بندر بر اثر جريانات جزر و مدي توسط يک مدل عددي دو بعدي ميانگين گيري شده در عمق پرداخته و به راهکارهاي عملي براي طراحي بهينه دست يافته شده است .
۲- معادلات حاکم جريان و آشفتگي
معادلات حاکم بر سيال نيوتني غير قابل تراکم و لزج در نظر گرفته شده اند. در معادلات مربوط u ،v وw مولفه هاي سرعت در جهات x ،y و z،p فشار و ρ چگالي توابعي از مکان و زمان مي باشند.
در تشريح جريان آشفته به صورت رياضي ، مقدار سرعت ، فشار و غلظت مواد محلول و معلق به اندازه ي ميانگين دامنه ي نوسان ، در هر لحظه منظور مي شود. با ميانگين گيري در عمق معادلات حاکم حرکت سيال به صورت زير در مي آيند:
(۳) معادله پيوستگي
(۴) معادله بقاي مومنتوم :
که در اين دو معادله p و q تخليه در واحد عرض به ترتيب در جهات مقدار شار تخليه شده در واحد سطح افق مولفه هاي سرعت ميانگين گيري شده در عمق در جهات x و y،β ضريب تصحيح مومنتوم براي پروفيل قائم سرعت غير يکنواخت ، f پارامتر کوريوليس در اثر چرخش زمين شتاب گرانش زمين ، η تراز سطح آب از سطح متوسط ، h عمق آب زير سطح متوسط ، چگالي هوا، ρ چگالي آب ، C ضريب زبري شزي ضريب مقاومت هوا بر آب ، ε لزجت گردابه اي آشفتگي ميانگين گيري شده در عمق ضريب اصطکاک پوشش گياهي و D قطر پوشش گياهي مي باشند.
معادله انتقال غلظت نيز به صورت زير مي باشد:
که در آن S ميزان غلظت ميانگين گيري شده در عمق بوده و Dxx،Dxy ،Dyx و Dyy ضرايب - Dispesion Diffusion در جهات x وy بوده که در زير آورده شده اند: (هولي، ۱۹۸۴ و پرستون ، ۱۹۸۵)
که در اين معادلات kl و kt به ترتيب ضرايب Dispersion طولي و پخشيدگي آشفته عرضي مي باشند، و در اينجا به ترتيب برابر مقادير ۵.۹۳ و ۰.۲۳ در نظر گرفته شده اند.(الدر، ۱۳۵۹)
۳- معادلات رسوب :
معادلات بکار رفته در مدل رابطه ي انگلاند- هانسن (۱۹۷۶) و رابطه فون راين (۱۹۸۴) مي باشند. در رابطه انگلاند- هانسن تفاوتي بين رسوب معلق و رسوب بستر ديده نشده است و رابطه مجموعاً کل رسوب جابجا شده را محاسبه مي کند. ولي در رابطه فون راين کل بار رسوب جابجا شده از مجموعه ي رسوبات معلق و رسوبات بستر بدست مي آيد، يعني: qb,cqs,cqt,c . مطابق رابطه انگلاند- هانسن :
که در آن qt,c حجم جريان متناسب با کل رسوب جابجا شده سرعت ميانگين گيري شده در عمق ضريب شزي ،s وزن مخصوص ذرات متوسط اندازه ذرات رسوب (m) مي باشند. با استفاده از رابطه فون راين داريم :
که F به صورت مقابل مي باشد:
در معادلات فوق qs,c حجم رسوب معلق جابجا شده سرعت سيال در ارتفاع z از کف ، c حجم رسوبات در ارتفاع z از کف ، ca غلظت مبنا در ارتفاع z از کف ، h ارتفاع آب ، a ضخامت لايه رسوبات بستر و F ضريب شکل مي باشند. رسوب کف از رابطه ي محاسبه مي شود که qb حجم رسوبات جابجا شده ي کف و سرعت موثر براي جابجايي ذرات کف مي باشند. در اين مقاله از رابطه فون راين در محاسبات رسوب استفاده شده است .
۴- روش حل عددي:
براي حل معادلات حاکم از روش تفاضل محدود بر روي يک شبکه ي منظم استفاده شده است . الگوريتم حل تناوبي ضمني (ADI) بکار برده شده که در آن هر گام زماني به دو نيم گام زماني تقسيم شده ، در نيم گام زماني اول در جهت x سرعت ، u (يا نرخ تخليه در واحد عرض p)، ارتفاع تراز آب ، η، و غلظت به صورت ضمني حل شده و بقيه مقادير به صورت صريح در معادلات ظاهر مي شوند. در نيم گام زماني بعدي در راستاي y سرعت ، v (يا نرخ تخليه در واحد عرض q)، ارتفاع تراز آب ، η، و غلظت به صورت ضمني حل شده و بقيه مقادير به صورت صريح در معادلات ظاهر مي شوند. معادلات تفاضل محدود حاصل با اعمال شرايط مرزي حل مي شوند. متغييرهاي η (تراز سطح آب که مبين ترم فشار است )، s (غلظت ) در وسط سلولها و u و v در وسط وجوه سلول ها در نظر گرفته شده اند.
معادلات گسسته شده براي نيم گام زماني اول در ذيل آورده شده است :
که در آن i وj نقاط شبکه در راستاي x و y و n معرف گام زماني مي باشند.
معادله مومنتوم در راستاي x :
در راستاي y نيز گسسته سازي مشابه معادله ۱۱ صورت مي پذيرد. و به همين ترتيب معادلات غلظت گسسته سازي مي گردد که در پ يين آورده شده است :
تابع ضرباني است که براي معرفي چشمه يا چاه آلودگي در معادله آورده شده است که xs و ys
معرف مختصات آن مي باشند.
۵- صحت سنجي مدل :
براي صحت سنجي مدل از نتايج آزمايشگاهي ين و همکاران (۲۰۰۰) استفاده شد. در اين مدل آزمايشگاهي حوضچه اي به ابعاد ۴.۸ متر و ۳.۸ متر و به عمق ۰.۱۷۳۵ متر به کار گرفته شده است . جريان جزر و مدي، با ارتفاع موج ۰.۰۵۲۵ متر و دوره تناوب ۳۶۰ ثانيه مي باشد. ۴ بندر با هندسه هاي مختلف در اين آزمايش مورد بررسي قرار گرفت (شکل ۱). نرخ تخليه آلودگي که به ميزان ppm ۱۰۰ در داخل محيط بندر پخش گرديده بود در دوره هاي تناوب بعدي موج جزر و مدي اندازه گيري و ثبت گرديد.
نتايج مدل با نتايج آزمايشگاهي در شکل (۱) براي اشکال مختلف هندسي مقايسه شده است .
