بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی آزمون های آزمایشگاهی انجام شده بر روی مدل CCHE2D
چکیده
واسنجی و صحت سنجی مهم ترین عامل در بکارگیری مدل های فیزیکی و ریاضی برای شبیه سازی پدیده های مورد مطالعه است. واسنجی بر اساس اطلاعات اندازه گیری شده و شرایط معلوم برای طبیعت و انطباق ضرایب متغیر در مدل صورت می گیرد. در مدل های دوبعدی و سه بعدی، جریان ماندگار و مدل های فرسایش و رسوب، اطلاعات بیشتری برای واسنجی مورد نیاز است.تغیرات زمانی و مکانی غلظت رسوب و تغییرات زمانی و مکانی تراز و شکل بستر از جمله اطلاعاتی هستند که برای واسنجی اینگونه مدل ها مورد نیاز است. مدل CCHE2D ابزاری توانمند در شبیه سازی جریان های ناپایدار کوتاه و بلند مدت و حمل
رسوب غیر یکپارچه در رودخانه ها می باشد. هدف پیش رو در این تحقیق مرور و بررسی آزمون های صورت گرفته بر روی مدل CCHE2D با استفاده از کانال آزمایشگاهی است. نهایتا بر اساس مطالعات انجام گرفته در این تحقیق نتیجه گرفته شد که مدل انتقال رسوب CCHE2D توانایی بالایی برای تخمین میزان غلظت
رسوب شبیه سازی شده، الگوی فرسایش و رسوب، و شاخص های مسلح کردن مواد بستر را در رودخانه ها دارا می باشد و با داده های اندازه گیری شده کاملا مطابقت دارد.
واژههای کلیدی: انتقال رسوب، مدل CCHE2D، فرسایش، بستر، رودخانه
-1 مقدمه
به طور کلی انتقال رسوب و برآورد میزان آن در آبراهه های آبرفتی یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه است. این موضوع مدت ها است که مورد مطالعه متخصصین و مورفولوژیست های رودخانه بوده و تا کنون روش های مختلفی برای برآورد میزان انتقال رسوب به کار رفته استغالباٌ. نتایج حاصل از این روش ها تفاوت فاحشی با یک دیگر و با مشاهدات صحرایی دارند. در عمل باید برای حل این مسئله از فرمول های انتقال رسوبی استفاده نمود که اساس استخراج آن ها با شرایط جریان و رسوب مسئله در دست بررسی هماهنگی داشته باشد. واسنجی مدل شامل آزمایش کردن مدل با اطلاعات معلوم ورودی و خروجی است که برای تطبیق یا تخمین ضرایب یا پارامترها درون محدوده فیزیکی به کار گرفته می شود، به طوری که نتایج پی شبینی ها به بهترین وجه ممکن با اطلاعات مشاهده ای مطابقت نمایند. این فرآیند نیاز به مشخص کردن شرایط میدانی به نحو مناسبی دارد. Best
در سال 1988 به عنوان اولین محقق، یک مدل تصویری از تغییرات مورفولوژی در محل تلاقی ارائه نمود که براساس مطالعه آزمایشگاهی در شرایط بسترهای متحرک و در تلاقی های نامتقارن با کانالی به عرض 0/15 متر و شیب طولی یکسان بدست آمد .در این مطالعه نسبت های مختلف دبی در حدود 0/5 تا 1/5 لیتر بر ثانیه و زوایای تلاقی بین 15 تا 105 درجه منظور و دانه بندی مناسبی نیز در بستر کانال انتخاب گردید .از دیگر نتایج بدست
آمده توسط این محقق می توان به تعیین حداکثر عمق آبشستگی بستر به عنوان تابعی از نسبت های دبی و زاویه اتصال اشاره کرد.[1] در طی یک قرن گذشته، انجام هم زمان مطالعات آزمایشگاهی، اندازه گیری های
صحرایی و مدل های محاسباتی دینامیکی منجر به ارائه اطلاعات ارزشمندی در خصوص فرایندهای پیچیده هیدرولیک، مورفولوژی و رسوب در محل تلاقی رودخانه ها شده اند. Taylorدر سال 1944 به عنوان اولین محقق به صورت آزمایشگاهی و تئوری به بررسی تلاقی آبراهه ها با زاوایای 45° و 135° در شرایط رژیم رسوبی
پرداخت. نتایج بررسی ایشان منجر به پیشنهاد یک مدل یک بعدی براساس معادله های بقاء جرم و مومنتوم، جهت محاسبه نسبت بین عمق های جریان بالا دست و پائین دست محل تلاقی با صرف نظر از اثرات اصطکاکی مرزها و با فرض برابری عمق جریان در آبراهه های بالادست محل تلاقی گردید.[2]
اصولاً حمل بار معلق در حالت غیر متوازن رخ می دهد و به همین دلیل هم توسط مدل های حمل غیر متوازن قابل شبیه سازی می باشد. مطالعات اخیر در زمینه عکس های فضایی و تصاویر ماهواره ای از یک طرف و تأخیر زمانی در حمل بار بستر تأیید نمودند که در بسیاری از موارد از قبیل فرسایش شدید، رسوب گزاری شدید و بخصوص تحت شرایط جریان آب ناپایدار، به یک مدل حمل غیر متوازن برای بار بستر احتیاج است. در نهایت جیا در سال 2001 میلادی با ارایه ویرایش 2/1 از مدل CCHE2D، مدل حمل رسوب غیر متوازن را برای بار معلق و مدل حمل رسوب متوازن برای بار بستر معرفی کرد.[3]
-2 مواد و روش ها
-1-2 مدل ریاضی دو بعدی CCHE2D
مدل CCHE2D، یک مدل عددی برای شبیه سازی جریان غیر دائم آشفته و انتقال رسوب در کانا ل های
باز می باشد که در سال 2005 توسط وانگ، جیا در مرکز بین المللی علوم هیدرولیک و مهندسی محاسباتی1، دانشکده فنی دانشگاه می سی سی پی آمریکا تهیه و توسعه یافته است .این مدل جزء مدل های هیدرودینامیکی دو بعدی بوده که برای ساخت هندسه و شبکه بندی میدان مطالعا تی از یک نرم افزار مجزای پیش پردازنده2تحت عنوان CHE-MESH برخوردار است و حل میدان جریان و انتقال رسوب و هم چنین مشاهده نتایج در محیط گرافیکی نرم افزار با عنوان CCHE-GUI ، انجام می شود.[4]
-1-1-2 معادلات حاکم بر انتقال رسوب
در بخش رسوب مدل CCHE2D ، برای محاسبه بار رسوب از معادله کلی پخش- انتقال (1) و برای محاسبه
تغیر شکل بستر از معادله پیوستگی بار بستر (2) استفاده می کند. رسوبات عیر یکنواخت بر اساس اندازه ذرات به دسته های مختلف k دسته بندی می شوند.
(1) (2)
که در آن تخلخل مواد بستر، ضخامت لایه بار بستر، غلظت متوسط بار معلق همه اندازه ذرات،
و نرخ انتقال رسوب هر دسته در جهات X وY، و نسبت تبادل مواد لایه بستر و بار معلق، ضریب پخش می باشند.[5]
-2-2 آزمون مدل با استفاده از کانال آزمایشگاهی -1-2-2 آزمایش ونگ و ریبرینگ بر روی رسوب گزاری خالص بستر رودخانه
ونگ و ریبرینک در سال 1986 میلادی، آزمایشات مستمری را بر روی یک کانال آزمایشگاهی انجام دادندکه ابتدا در مرحله اول، کف آن را نیز به صورت سنگ صلب(سخت) و در مرحله بعدی به حالت نفوذ پذیر شبیه سازی نمودند. وقتی که رسوبات از بازه بالا دسترودخانه که دارای کف نفوذپذیر است، تخلیه می شوند، کاملاً ناپدید شده و دومرتبه نمی تواند تجدید شود. در مورد کانال آزمایشگاهی شاهد فرایند رسویگذاری خالص در بستر رودخانه هستیم که با نرخ فرسایش آهسته معادل با همراه استضمناًسرعت. میانگین آب در این کانال 0/56m/s و عمق جریان آب نیز 0/215 متر است. قطر شاخص رسوبات نیز به ترتیب ،
و می باشد. در انجام محاسبات، حالت رسوبات یکپارچه فرض می شوند و سرعت ته نشینی بدست آمده از فرمول فن رین در سال 1986 میلادی، معادل 0/0065 m/s می باشد. طول
جغرافیایی شبکه نیزحدوداً 0/5 متر طولی است. در این آزمایش سعی شده است که توزیع غلظت در جهت عمودی را از همان جایی که ضریب سازگاری نامتوازن α بدست آمده است، اندازه گیری شود.
شکل :1 نمایی از پروفیل α محاسباتی و اندازه گیری شده [6]
شکل (1)، پروفیل های طولی اندازه گیری شده در طبیعت و محاسبه شده با روش آرمینی و دی سیلویو در سال 1988 میلادی را برای ضریب α نشان می دهد.نتیجه حاکی از این واقعیت است که مقدار ضریب α در سراب
افزایش یافته و در پایاب رو به کاهش است این در حالی است که مقدار آن از معادله آرمینی و دیسیلویو ثابت می باشد.
شکل:2 غلظت بار معلق محاسبه شده با روش عمق میانگین [6]
شکل (2) مربوط به مقایسه بین غلظت های بار معلق اندازه گیری شده و محاسبه شده با روش عمق میانگین است که از لحاظ دقت نتایج، حتی با روش آنالیزی قابل مقایسه است. نتایج محاسبه شده با روش های حل آنالیزی، کاملاً قابل اعتماد بوده و به این معناست که روش های عددی مورد استفاده در مدل cche2d، راه حل های
مطقی به نظر می رسند. به علت این که ضریب αاز لحاظ علمی واقعاً ثابت نیست، پروفیل غلظت شبیه سازی شده با استفاده از ضریب ثابت α، از داده های اندازه گیری شده در طبیعت اندکی انحراف دارد. در این ترتیب، فرایند شبیه سازی را با استفاده از منحنی ضریب α می توان دوباره انجام داد،پروفیلی غلظتی که مجدداً شبیه سازی شده است نسبت به قبل کاملاً بهبود یافته و با داده های اندازه گیری شده بهترین تطابق را دارد.[6]
-2-2-2 آزمایش رسوب گذاری (ته نشینی) در کانال سافل آزمایشات مربوط به رسوب گذاری کانال در ازمایشگاه هیدرولیکی سنت آنتونی فالز، توسط سیل و همکاران
در سال 1995 میلادی انجام شد. علاوه بر این آزمایشگاه نیز برای آزمون مدل حمل رسوب غیر یک پارچه CCHE2D مورد استفاده قرار گرفت. مشخصات بازه کانال فلوم آزمایشگاهی عبارت است از: 45 متر طول بازه و
3/5 متر عرض آن است، شیب اولیه بستر کانال نیز 0/02 می باشد. دنباله انتهایی آن نیز در ارتفاع ثابتی نگه داشته شد تا بتواند پرش هیدرولیکی ناشی از موج را در انتهای پایاب ایجاد کند که محل اصلی ته نشینی سنگریزه ها می باشد. روند تغذیه رسوبات در ورودی کانال آزمایشگاهی یک ترکیب دو نمایی ضعیف می باشد که شامل محدوده وسیعی از اندازه 0/125 تا 64 میلیمتر می باشد، شکل .(3)
