بخشی از مقاله
خلاصه
آبشستگی پدیدهای طبیعی است که در اثر عبور جریان آب از روی مواد دانهای به وجود میآید. در تحقیق حاضر با توجه به دادههای موجود، اثر تغییرات عمق پایاب بر حداکثر عمق آبشستگی بررسی شد. نتایج نشان داد که در مقادیر کم عمق پایاب با افزایش عمق پایاب، حداکثر عمق آبشستگی افزایش مییابد. تأثیر تغییرات عمق پایاب بر حداکثر عمق آبشستگی در شرایطی که عدد فرود پایه ی مصالح کم،Fr < 3 بسیار کم میباشد ولی با افزایش عدد فرود مصالح تأثیر آن بیشتر میشود.
.1 مقدمه
آبشستگی پدیدهای طبیعی است که در اثر عبور جریان آب از روی مواد دانهای به وجود میآید. جریان آب در برخی سازههای هیدرولیکی به صورت جت منتشر میشود. سرعت آب در جتها معمولا آنقدر زیاد است که به خورده شدن کف منجر میشود و حفرهی بزرگی در جلوی سازه به وجود میآید. جتها به انواع مختلفی تقسیم میشوند که هرکدام ویژگیهای مربوط به خود را دارند.
براساس ویژگی های متفاوت جت ها، تقسیم بندی آنها نیز متفاوت خواهد بود، براساس زاویه برخورد به انواع جتهای افقی و قائم، ابعاد سرعتی اندازهگیری شده به انواع جتهای دو بعدی و سه بعدی و براساس عمق جریان در پاییندست آنها به جتهای مستغرق و آزاد تقسیم میشوند. خورده شدن، انتقال و تجمع رسوب بستگی به خواص مواد تشکیل دهندهی بستر و مشخصههای هیدرولیکی جریان دارد.
عموماً گفته میشود که مکانیسم آبشستگی شامل ترکیب دو حرکت نسبی میباشد. یکی حرکت میدان جریان نسبت به مرزها و دیگر حرکت مواد کف نسبت به جریان سیال روی آن. به محض اینکه جت به منطقه قابل فرسایش رسید به دلیل سرعت زیاد و آشفتگی، ذرات بستر را کنده و با خود حمل میکند که این عمل به سرعت انجام میپذیرد.
در ابتدا - برای زمان کوتاهی - بعد عمودی چالهی آبشستگی سریعتر از بعد افقی آن افزایش مییابد و در لحظات اول قسمت عمدهی مواد به صورت بار معلق حمل میشوند. سپس تدریجاً چاله آبشستگی با زمان بزرگ و بزرگتر میشود. بدین صورت سطح مقطع جریان زیاد میشود و با توجه به قانون پیوستگی سرعت متوسط کاهش یافته، همچنین سرعت در سطح کف جدید کاهش مییابد، بنابراین نرخ فرسایش به حدی کاهش مییابد تا به مقدار بحرانی برسد. در این زمان، جریان، قدرت حمل ذرات کف را نداشته و چالهی آبشستگی به یک حالت تعادل میرسد. هدف از این تحقیق تاثیر عمق پایاب بر میزان عمق حفره آبشستگی میباشد.
تاکنون مطالعات بسیاری در زمینه یافتن مکانیزم آبشستگی ناشی از برخورد جتهای دایرهای صورت گرفته است. یوشیجیما و همکاران در سال 1992 آبشستگی ناشی از جت سرد و گرم را در حالتهای دو بعدی و سه بعدی مورد بررسی قرار دادند. ایشان معادلات حرکت، پیوستگی، انرژی و معادلات آشفتگی - K را به صورت کامل و در حالت جریان دائم به روش تفاضلهای محدود حل کردند. بدین وسیله میدان جریان ناشی از خروجی جت تعیین میگردد.[1] آنها نشان دادند که عمق ماکزیمم آبشستگی dm نسبت به زمان افزایش یافته و به یک حد نهایی dm می رسد که میزان آن توسط رابطه ی زیر به دست می آید:
لازم به ذکر است که dm که آلتین بیلک و همکاران بدست آوردند و با نتایج بدست آمده توسط لارسن مطابقت دارد.
لیم - - - 1985 کار گستردهای روی آبشستگی ناشی از جت دیوارهای آشفته دو بعدی با عمق پایاب کم انجام داد.[2] لیم بیان کرد که عمق پایاب شدیداً روی روند توسعهی آبشستگی تاثیر دارد. وی اندازهگیریهای گستردهای برای نشان دادن توزیع سرعت در چالهی آبشستگی در حالت دو یعدی و سه بعدی انجام داد. او براساس آزمایشها و اندازهگیریها نشان داد که پروفیل سرعت از خروجی جت تا محل عمق حداکثر بدون توجه به زمان آبشستگی مشابه میباشد.
تحقیق دی و همکاران - 2001 - در مورد اثر عمق پایاب بر حداکثر عمق حفرهی آبشستگی ایجاد شده در اثر جریان عبوری از درون کالورت نشان میدهد در حالی که نسبت عمق پایاب به بازشدگی دریچه از 0/5 تا 2 افزایش یابد حداکثر عمق حفرهی آبشستگی کاهش می-یابد
در سال - - 2000 بالاچاندر وهمکاران با استفاده از تکنیک عکسبرداری ویدئویی فرایند زمانی آبشستگی ایجاد شده توسط جتهای دیواره-ای را بررسی کرده و با اندازهگیری سرعت در درون حفرهی آبشستگی به این نتیجه رسیدند که در شرایطی که حفرهی آبشستگی در حال پر شدن است، مسیر حرکت جریان جت به سمت سطح آب میباشد و در شرایطی که حفره در حال فرسایش میباشد جهت حرکت جریان بسمت کف حفره می-باشد.
تحقیقات احسن - 2003 - نیز نشان میدهد که تغییر چندانی بین پروفیل آبشستگی برداشت شده در شرایط استاتیکی و دینامیکی وجود ندارد و ناپایداری ایجاد شده در ابعاد حفرهی آبشستگی برای شرایط -0.7< - y-y2 - / y2<0 که y اختلاف بین عمق پایاب و حداکثر ارتفاع برآمدگی میباشد و y2 عمق پایاب میباشد، اتفاق میافتد.
.2مواد و روشها
مدل فیزیکی در این قسمت توضیحی در ارتباط با دادههای فیزیکی این تحقیق آورده شده است. دادههای آزمایشگاهی از پایاننامه آقای دکتررجیب احسن - رجیب احسن - با موضوع تاثیرات استغراق بر آبشستگی موضعی در سال 2003 گرفته شده است، لذا شرح مختصری از مدل فیزیکی و دادههای آزمایشگاهی این منبع تحقیقاتی در ذیل آورده شده است و جهت اجرای نرم افزار و استخراج نمودارهای مربوط به این تحقیق از این دادهها استفاده گردید.
ابعاد مدل عددی دقیقاً اندازه فلوم آزمایشگاهی گرفته شده که در ادامه ودر قسمت مدل سازی شرح داده شده است. مشخصات اولیه مدل آزمایشگاهی در جدول - - 1 آورده شده است.
جدول -1 مشخصات اولیه مدل آزمایشگاهی
هندسه مدل شامل یک فلوم مستطیلی به طول7/85 متر و عرض 1 متر بوده و دارای دو دریچه یکی در جلو با یک حفره به عرض کانال و با ارتفاع 1 اینچ میباشد.
معرفی نرم افزار Flow3D
نرم افزارFlow3D نرم افزاری چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازی به صورت دو بعدی و سه بعدی است. این نرم افزار مختص دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - است و توسط شرکت FLOWSCIENCE ارائه شده است. روش حل معادلات در این نرم افزار بر اساس روش احجام محدود می باشد. این برنامه در جریان های سه بعدی غیر ماندگار که دارای سطح آزاد و هندسه پیچیده هستند نیز کاربرد دارد. نرم افزار FLOW3D توانایی نمایش تغییرات لحظه ای پارامترهای هیدرولیکی مختلف مانند عمق و سرعت در جهات مختلف و در هر مقطع دلخواه از سازه را به صورت فایل متنی یا گرافیکی داراست.
یکی دیگر از خروجی های برنامه نمایش دو بعدی تغیرات پارامتر های هیدرولیکی میباشد. بدین صورت که امکان بررسی تغییرات پارامترهای هیدرولیکی در طول، عرض و پلان سازه به سهولت امکان پذیر است. نمایش سه بعدی تغییرات پارامترهای هیدرولیکی مختلف در هر لحظه از جمله تواناییهای دیگر این نرم افزار میباشد. نرم افزار FLOW3D معادلات حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریبات احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکه هایی با سلولهای لولهای تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقادیر کمیتهای وابسته وجود دارد. یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند بجز سرعت که در مرکز وجوه سلول حساب میشود. در این نرم افزار از دو تکنیک عددی برای شبیه سازی هندسی استفاده شده است :
1. روش حجم سیال : - VOF - این روش برای نشان داد رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار می گیرد.
2. روش کسر مساحت- حجم مانع : - FAVOR - برای شبیه سازی سطوح و اجسام صلب مثل مرزهای هندسی کاربرد دارد.
معادلات حرکت سیال شامل معادلات بقای جرم ، مومنتم و بقای انرژی است که به شکل دیفرانسیلی این معادلات ناویر استوکس گفته می شود . معادلات حاکم بر جریان سه بعدی در این نرم افزار عبارتند از :
معادله بقای جرم یا معادله پیوستگی که در این معادله - VF - مقدار نسبت حجم باز به جریان ، دانسیته سیال ، - u, v, w - به ترتیب سرعت در راستای - x, y, z - ، - Ax,Ay,Az - به ترتیب مقادیر نسبت مساحت در راستای - x, y, z - ،R و مربوط به سیستم مختصات انتخابی ، RDIF تابع دیفیوژن و RSOR تابع چشمه می باشند.
