بخشی از مقاله
چکیده
یکی از ابزار سازه ای در مدیریت کناره آبشکن می باشد . یکی از کاربرد های آبشکنها جلوگیری از فرسایش کناره ها می باشد . دراین مقاله در محیط نرم افزار Gambit ابشکن دماغه ذوزنقه ای ، در طول های مختلف به صورت سری یکطرفه و دو طرفه در کانال مکعب مستطیل شکل ،بطوریکه عمود بر کناره کانال قرار میگیرد مدلسازی شده است،وسپس با استفاده ازمدل عددی سه بعدی نرم افزار Fluent و با استفاده از روش VOF و به کارگیری مدل آشفتگی RNG K_که دقت بیشتری در محاسبات دارد به مطالعه عددی تاثیر تغییرات طول ابشکن و تغییر تعدادابشکن در مسیر جریان برتنش برشی بستر در عرض کانال پرداخته میشود.
برای تنظیم شرایط اغتشاش در مرز ورودی با توجه به توصیه های نرم افزار از روش تعیین شدت اغتشاشI و قطر هیدرولیکیDH استفاده شده است میزان دبی ورودی در هر حالت متفاوت میباشد.نتایج مدل عددی نشان داد که حداکثر تنش برشی در عرض کانال در دبی ورودی ماکزیمم ودر طولMaxرخ داد .
مقدمه
فرسایش سواحل ابراهه ها ،باعث خسارت به اراضی کشاورزی ، تاسیسات مجاور و عریض شدن ابراهه جریان میشود .علاوه بر ان رسوب گذاری در پایین دست باعث بروز مشکلات عدیده ای در دهانه رودخانه ها، سواحل دریاها و اسکله ها میشود .خطوط ساحلی در مقابل فرسایش - ابشستگی - و صدمات ناشی از جریان های شدید موازی ساحل اسیب پذیرند.برای مقابله با جریان های موازی خط ساحلی یکی از روش های متداول استفاده از سازه هایی به شکل ابشکن برای پایداری خط ساحلی است.ابشکن ها الگوی جریان را به طور محسوسی تحت تاثیر قرار میدهند
.خطوط جریان با نزدیک شدن به سازه ابشکن ارایش خود را تغییر داده و به تبعیت از ساختار هندسی ، نوع سازه و سایر مشخصات فنی ، الگوهای متفاوتی از جریان در دماغه و میدان ابشکن پدیدار میشود .این سازه ها در سواحل دریا ودر رودخانه ها مورد استفاده قرار میگیرند.این سازه ها به لحاظ ساختار سازه ای ساده و قابلیت سازگاری با شرایط متنوع دارای کاربرد وسیعی در طرح های ساماندهی وبویژه اقدامات تثبیت و پایدار سازی کناره ها میباشند.
از اینرو بررسی و شناخت فرایند فرسایش و رسوبگذاری در محدوده ابشکنها از جنبه های مختلف طراحی،حفاظت ونگهداری دارای اهمیت فراوان است.>1@الگوی جریان که حاصل کنش و واکنش سازه آبشکن و جریان است سرمنشا وقوع فرسایش موضعی وتشکیل چاله ابشستگی در دماغه ورسوبگذاری در میدان ابشکن تلقی میشود.
همچنین تعیین فاصله و طول آبشکن ها ،جهت نسبت به خط ساحلی و بطور کلی بسیاری از مشخصه های فنی مستلزم توجه به الگوی جریان ایجاد شده در محدوده آبشکن میباشد .ایجاد فرسایش در دماغه ویا در امتداد بدنه آبشکن وهمچنین رسوبگذاری در محدوده ی بین دو سازه از نوع و ویژگی الگوی جریان پیروی میکند.علاوه بر ان تعیین فاصله و طول آبشکن ها و همچنین امتداد نسبت به خط ساحلی وبه طور کلی بسیاری از مشخصه های فنی مستلزم توجه به الگوی جریان ایجاد شده در محدوده آبشکن است در این راستا پژوهشگران زیادی در ارتباط با مدلسازی های عددی و فیزیکی پروژه های تحقیقاتی فراوانی انجام دادند که از جمله ان میتوان به موارد زیر اشاره کرد .
دارتوس و اویلون یک مدل سه بعدی را برای پیش بینی الگوی جریان در اطراف ابشکن توسعه دادند مولیناس و حافظ مدلسازی جریان اطراف آبشکن ها از مدل المان محدود استفاده کردند،انها اثرات نسبت پیش امدگی ،زبری بستر،عمق جریان،شدت جریان وشیب انرژی را در میدان جریان بررسی کردندگری و همکاران جریان در اطراف ابشکن را در کانالی خمیده بصورت عددی و تجربی مورد استفاده قرار دادند.
فرسیو و صباغ یزدی جریان در اطراف ابشکن را بصورت دو بعدی و به روش حجم محدود بررسی کردند] ِ.[نیشابوری وهمکاران میدان جریان در اطراف ابشکن را بصورت عددی مورد بررسی قرار دادند، انها مدل خود را برای اعداد رینولدز 6،92،153 بکار بردند و تاثیر عدد رینولدز رادر پروفیل سرعت مورد بررسی قرار دادند.
حسنی الگوی جریان اطراف ابشکن قائم رابا استفاده از مدل های فیزیکی و عددی به صورت دو بعدی مورد بررسی قرار داد. وی در مدل عددی خود مدل های اشفتگی لزجت ثابت،مدل طول اختلاط،مدل اشفتگی k- ومدل LES را بکار برد ونتایج انها را با مدل تجربی مقایسه کرد
. ییو وهمکارانش - ًًٍِ - بررسی هایی را بصورت ازمایشگاهی بر روی ابشکن های منفرد انجام دادند
معادلات حاکم
معادلات بکار گرفته شده در برنامه فلوئنت به شرح زیر میباشد:
معادلات حاکم بر حرکت یک سیال تراکم ناپذیر لزج در حالت اشفته،توسط معادلات ناویراستوگس متوسط گیری شده،موسوم به رینولدز - rans - ،بیان میشوند.معادلات پیوستگی - بقای جرم - و حرکت - بقای مومنتوم - به صورت زیر هستند:
در معادلات فوق مولفه سرعت،p فشار کل و چگالی سیال میباشد.همچنین جملات -puiuj به عنوان تنش های رینولدز شناخته میشوند
که به سیال عمل کرده و اثر گردابه آشفتگی را در سیال اعمال میکنند.برای کامل شدن یا به اصطلاح بستن معادلات از مدل اشفتگی k- استاندارداستفاده شده است.شبیه سازی پرفیل سطح اب با استفاده از روش حجم جزء سیال - - VOF انجام شده است.در این طرح سطح مشترک در سلول هایی که حجم جزء سیال - f - بین صفر و یک میباشد؛بصورت پاره خطی شیب دار تضمین زده میشود.معادلات مربوط به بقائ حجم جزء سیال به صورت زیر میباشد: در این مقاله به جهت نیاز به نرم افزاری توانمند در زمینه شبیه سازی مدل های چند فازی از فلوئنت که در این زمینه نرم افزار شاخص میباشداستفاده شده است.
بررسی صحت مدل عددی
قبل از شروع انالیز بر روی مدل های گروهی،ابتدا باید از صحت مدل شناخته شده و دقت نتایج بدست امده اطمینان حاصل نمود.به همین منظور انالیز جریان برای حالت ساده شامل تک آبشکن در مقابل جریان یکنواخت انجام شده و نتایج ان با کار های گذشته دیگران مقایسه شد برای اینکار لازم است ابتدا کالیبراسیون مدل انجام شود نوع شبکه انتخابی به ویژه تراکم مش بندی تاثیر مستقیم بر روی دقت نتایج و زمان و هزینه محاسباتی و حتی همگرایی حل دارد .
بنابراین لازم است مش بندی مناسبی انتخاب شود که هم پاسخگوی دقت مورد نیاز در محاسبات باشد و هم زمان انجام محاسبه در حد قابل قبولی باقی بماند .انتخاب یک شبکه بسیار ریز علاوه بر انکه هزینه و زمان انجام محاسبات را به میزان قابل ملاحظه ای افزایش میدهد، ممکن است روی همگرایی نتایج نیز تاثیر منفی بگذارد .از طرفی دیگر در صورتی که ابعاد مش به حد کافی کوچک نباشد ، دقت محاسبه به خصوص در لایه مرزی کاهش یافته و احتمال خطا در نتایج افزایش می یابد .
نرم افزار Gambitبه عنوان نرم افزار تولید کننده ی هندسه و شبکه ، امکان انجام مش بندی های مختلف را در اختیار کاربر قرار میدهد .در پژوهش حاضر برای ساخت شبکه ، از المان منشوری ٌ استفاده شده است برای مش بندی بهتر یک مربع هادی به طول ضلع B َ که Bطول ضلع پایه مستطیلی میباشد اطراف پایه ها رسم میشود این تقسیم بندی سبب افزایش دقت حل شده و همچنین توزیع چرخش در اطراف پایه را دقت نمایش میدهد.مرزهای این مربع - مستطیل - از نوع مرز - - داخلیٍ - - تعریف میشود تا تاثیر ان در انالیز از بین برود .نرم افزار فلوئنت در تحلیل مساله مرزهای از نوع داخلی را در نظر نمیگیرد
مشخصات شبکه حل عددی میدان جریان:
در شبیه سازی عددی برای کاهش زمان محاسبات معمولا بخشی ازطول کانال ازمایشی در نظر گرفته میشود.در این پژوهش ابتدا در محیط نرم افزلر gambit کانالی مکعب مستطیل به طول ّ متر عرض ِ/ٌ و ارتفاع ٍُ/ً متر ساخته شده.محل قرارگیری ابشکن هااز ورودی و خروجی سیال باید تا حدی باشد که تاثیری بر روی عمق ورودی و خروجی نداشته باشد یعنی فاصله ابشکن از ورودی باید بیشتر از طول رسیدن جریان به جریان پایدار خود باشد و فاصله آبشکن از خروجی باید به گونه ای باشد که مرز خروجی تاثیری بر جریان کناره ابشکن نداشته باشد با انجام سعی و خطا روی پارامتر های فوق نهایتا حدود ابعاد میدان بصورت زیر انتخاب گردید
در عمق ارتفاع کانال در فاز اب - ٌِ/ً-ً - و ارتفاع کانال در فاز هوا - تراز ٍُ/ً -ٌِ/ً - میباشد.برای شبکه بندی از المان منشوری استفاده شده است که در اطراف پایه ها این مش باید ریزتر شود مش بندی در این محدوده را َ برابر میکنیم.این تقسیم بندی سبب افزایش دقت حل شده.علاوه بر ان هزینه زمان انجام محاسبات را کاهش میدهد
