بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، برخورد امواج دریای خزر با موجشکن قائم بر اساس روش عددی در نرمافزار فلوئنت شبیهسازی شده است. معادلات حاکم بر جریان، معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده با مدل آشفتگی k- استاندارد است. از روش حجم سیال جهت مدلسازی سطح آزاد و از روش حجم محدود جهت حل معادلات حاکم استفاده شده است. جهت اعتبارسنجی، نیروی وارده بر یک دیوار عمودی به وسیله جریان آب همراه با موج، محاسبه شده و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده که تطابق قابل قبولی بین نتایج وجود دارد. سپس از مدل تهیه شده به منظور بررسی تأثیر امواج دریای خزر بر موجشکن قائم از شرایطی مشابه نواحی ساحلی بندر نوشهر استفاده شده است.
نتایج نشاندهندهی افزایش جذب انرژی امواج به وسیله سازه موجشکن با افزایش عرض و پهنای کف موج شکن است به طوری که تأثیر افزایش عرض موجشکن و پهنای کف آن بر میزان انرژی جذب شده از امواج غیرخطی میباشد. همچنین با افزایش بیشتر عرض موجشکن و رسیدن جریان در کنارههای موجشکن به حالت یکنواخت، از تأثیر آن بر میزان جذب امواج کاسته میشود. اما هر چه پهنای کف موجشکن با در نظر گرفتن محدودیتهای ساختاری افزایش یابد، مقدار بیشتری از انرژی امواج جذب میشود.
-1 مقدمه
بروز پدیدههای طبیعی در مناطق ساحلی که خارج از اراده بشر است، همواره با عوامل انسانی که ناشی از گسترش ساخت و ساز در این مناطق میباشد در کوتاه مدت یا بلند مدت منجر به تخریب و وارد آمدن صدمات زیست محیطی زیادی در نواحی ساحلی شده است. استفاده از موجشکنها به ویژه موجشکنهای قائم جهت حفاظت از سواحل روشی مرسوم میباشد. موجشکن-های قائم از یک دیوار تشکیل میگردند که روی زیر بنایی از سنگ ریزی با سنگهای طبیعی قرار دارند.
وندِربیزن و همکاران [1] با استفاده از Delft3D بطور عددی تاثیر تغییرات پارامترهای طراحی روی عملکرد موجشکن-های مستغرق را مورد بررسی قرار دادند. جانسون و همکاران [2] به طور عددی به ارزیابی امواج و جریان اطراف موجشکنهای مستغرق و بررسی و مقایسه نتایج تستهای آزمایشگاهی سه بعدی لامبرتی و همکاران [3] پرداختند. مدینا [4] به مطالعه روگذری امواج روی موجشکنهای مختلف به کمک تکنیک شبکههای عصبی مصنوعی پرداخت.
پازوتا و همکاران [5] نیز مطالعه مشابه روی روگذری امواج از موجشکنهای مختلف با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی انجام دادندمِیس. و همکاران [6] مطالعهای روی تحلیل پایداری موجشکنهای توده سنگی به کمک شبکههای عصبی مصنوعی انجام دادندوَن. دِر بوگارد وَن گنت [7] نیز از شبکههای عصبی مصنوعی برای پیشبینی نیروها روی سازههای قائم استفاده کردند. پانیزو و همکاران [8] و پانیزو و بریگانتی [9] به تحلیل عبور امواج روی موجشکنهای LCS به کمک شبکههای عصبی مصنوعی پرداختند.
هاشمی جوان [10] در پژوهشی شکست موج بر روی موج شکن مستغرق را با استفاده از یک مدل عددی دو بعدی شبیه سازی کرده است. میدان جریان با حل معادلات ناویر-استوکس و با کمک یک مدل آشفتگی استاندارد برای تحلیل کمیتهای آشفتگی مدل سازی شده و سطح آزاد جریان نیز با استفاده از روش حجم سیال - VOF - بیان شده است. در این مقاله ابتدا شرایط امواج دریای خزر مورد بررسی قرار میگیرد. سپس، معادله خطی ایری و معادلات ناویر-استوکس بر اساس روش k- به طور خلاصه ارائه میشوند. در مرحله بعد نحوه مدلسازی موجشکن در نرم افزار انسیس فلوئنت نسخه 16 ارائه شده و متعاقباً عملکرد هندسههای مختلف موجشکن جهت جذب انرژی امواج مورد بررسی قرار گرفته و هندسه بهینه بر این اساس انتخاب میشود.
-2 مشخصات دریای خزر
دریای خزر که گاهی بزرگترین دریاچه جهان و گاهی کوچکترین دریای خودکفای کره زمین خوانده میشود، یکی از منابع پر اهمیت تامین انرژی در کشور ماست. این دریاچه با طولی حدود 1200 کیلومتر و عرض تقریبی 320 کیلومتر و مساحت 438 000 کیلومتر مربع و حجم 770 000 کیلومتر مکعب بزرگترین دریاچه جهان است. نواحی کم عمق آن در منطقه شمال با حداقل عمق 25 متر و نواحی پرعمق آن در قسمت جنوبی و مرکزی است که در بعضی مناطق این عمق به حدود 900 تا 1000 متر می رسد. 922 کیلومتر از نواحی ساحلی این دریاچه در خاک ایران واقع شده است .[11]
جهت انتخاب موج شکن مناسب بر اساس شرایط دریای خزر، بررسی پارامترهای مهم سواحل و آب دریا از قبیل هندسه بستر نواحی نزدیک به ساحل، تراز آب و جنس بستر مورد نیاز است. جنس بستر، مهمترین ساختارهای رسوبی مشاهده شده در بستر دریا از اعماق بسیار کم تا عمق بیش از بیست متر میباشد. انواع ریپل مارکها و سوراخهای ایجاد شده بر اثر عوامل زیستی و یا دخالت انسانی می تواند بستر را تغییر دهد.
ساختار رسوبی ریپل مارک در مناطق گوناگون سواحل جنوبی به شکلهای متفاوت و به اندازههای گوناگون مشاهده میشوند. آنها معمولاً به اندازههای کوچک و بزرگ، متقارن و نامتقارن، پیوسته و ناپیوسته یافت میشوند که در شکل 1 نمونه ای از ریپل نامتقارن و ناپیوسته دیده میشود .[11] مشاهدات غواصی بستر دریا نشان میدهد که ریپلهای متقارن و پیوسته در سواحل کم انرژی میانکاله و آستارا در عمق بین 1 تا 2/5 متر حضور دارند. اما در سواحل پرانرژی دیگر مانند نشتارود، انزلی، سرخرود و نوشهر، ریپلهای ناپیوسته و نامتقارن در محدوده عمقی بین 2 تا 15 متر عمومیت مییابد .[11]
ریپلهای نامتقارن و ناپیوسته .[11]
در ارتباط با تراز آب دریای خزر باید گفت، تراز آب بین سالهای 1308 الی 1356، بیش از سه متر کاهش داشته و از این زمان تاسال 1374 نزدیک به سه متر بالا آمده و سپس مجدداً از سال 1374 روند کاهشی را شروع نموده است. با توجه به تغییرات مشاهده شده برای دریای خزر - شکل - 2، مشخص است که قابلیت انطباق موجشکن با تغییرات سطح آب بسیار حائز اهمیت است. به عنوان مثال بین سال های 1300 تا 1320 تغییرات شدیدی در تراز آب این دریا مشاهده شده است که به طور کامل بر عملکرد موج شکن و همچنین سایر سیستم ها و سازههای آبی اثر می گذارد. سازمان ملی اقیانوس-شناسی ایران، طی دو پروژه 12 و 30 ساله مشخصات امواج را در نقاط مختلف این دریاچه اندازهگیری کرده است. در پروژه 12 ساله که از سال 1371 تا سال 1382 به طول انجامیده است توان امواج با فواصل یک درجهای که هر درجه 100 000 متر می باشد، اندازه گیری شده است.
همچنین دادههای امواج در هر شش ساعت به مدت 12 سال ثبت شده است. امواج دریای خزر در نواحی سواحل نوشهر دارای بیشترین توان هستند و به همین دلیل در مقاله حاضر از دادههای پروژه 12 ساله سازمان ملی اقیانوس شناسی در این منطقه استفاده شده تا بر اساس اطلاعات امواج آن، مناسبترین موجشکن برای این منطقه انتخاب شود. با داشتن عمق و طول و عرض جغرافیایی این منطقه و بر اساس اطلاعات سازمان اقیانوس شناسی، میتوان اطلاعات امواج برای طول و عرض جغرافیایی 51/1 و 36/9، 51/3 و 36/7، 51/5 و 36/7، 51/7 و 36/7 درجه - که مربوط به منطقه نوشهر میباشند - را به دست آورد. اطلاعات امواج به صورتی که در جدول 1 مشاهده میشود استخراج شده است.
-3 معادلات حاکم بر مسئله
معمولا جهت مطالعه امواج، از مدل خطی ایری برای حل تابع پتانسیل جریان و توصیف حرکت امواج در سطح سیال استفاده میشود. به دلیل لزجت سیال و غیرچرخشی بودن آن، تابع پتانسیل کارایی لازم را دارد.
جهت مدلسازی جریان از مدل
k- استاندارد که در گروه مدل های دومعادلهای قرار دارد و جزء یکی از قدرتمندترین مدلهای مغشوش برای مسائل مهندسی محسوب میشود، استفاده شده است. این مدل، یک مدل نیمه تجربی است که معادلات آن بر اساس مشاهدات تجربی بهوجود آمدهاند. در مدل های k- میدان آشفته بر حسب دو متغیر بیان میشود که عبارتند از: انرژی جنبشی جریان آشفته، و نرخ اتلاف ویسکوز انرژی جنبشی آشفته، . معادلات 9 و 10 مشخص کننده مدل دو معادلهای k- میباشند که در آن دو پارامتر انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ اتلاف آن، در دو معادله جداگانه به صورت زیر حل میشوند
