بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین الگوی جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن سرسپری منفرد با استفاده از مدل عددیSSIIM و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
چکیده
آبشکن ها سازه هایی هستند که برای حفاظت سواحل رودخانه ها از فرسایش و پیشروی به اراضی ساحلی مورد استفاده قرار می گیرند. در این مطالعه به بررسی عددی الگوی جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن سرسپری منفرد و مستقر در قوس 90 درجه به کمک نرم افزار SSIIM پرداخته و نتایج حاصل با مدل آزمایشگاهی واقفی مقایسه شده است. با توجه به پیچیدگی جریان تحت تأثیر آبشکن، تأثیر این سازه بر الگوی جریان و آبشستگی بسترمقاطع مختلف و پلان قوس و تأثیر آن بر جریان ثانویه درون کانال نیز مورد بررسی قرار می گیرد.
کلمات کلیدی: آبشکن سرسپری، نرم افزار SSIIM ، قوس 90 درجه، الگوی جریان، الگوی آبشستگی
مقدمه
آبشکن ها جهت جلوگیری از فرسایش دیواره رودخانه ها در مسیر مستقیم و قوسی شکل، فراهم آوردن شرایط مناسب جهت کشتیرانی و بالاآوردن سطح آب مورد استفاده قرار می گیرند. اهمیت تأثیر آبشکن بر الگوی جریان و آبشستگی محققین را بر آن می دارد تا در این زمینه تحقیقاتی را انجام دهند. تاکنون مطالعات زیادی پیرامون این موضوع انجام شده است. در سال 1384 عبدالهی و خانجانی به شبیهسازی عددی سه بعدی جریان در حوزه آبشکنهای رودخانه پرداختند. در طرح، برنامه عددی سه بعدی جریان SSIIM جهت مشابه سازی جریان پایدار اطراف آبشکنها در یک کانال الگوی آزمایشی، مورد استفاده قرار گرفت (عبدالهی و خانجانی .(1384 در سال 1387 حسینی و همکاران به بررسی تأثیر الگوی جریان حول آبشکن در قوس 90 درجه با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداختند (حسینی و همکاران .(1387 در سال 1388 مقبل و همکاران به بررسی شرایط جریان و شکل پروفیلهای سرعت در یک کانال قوسدار و شبیهسازی این شرایط با استفاده از مدل عددی سه بعدی SSIIM پرداختند. نتایج نشان داد که مدل سه بعدی SSIIM به خوبی شرایط جریان در قوس ساده را شبیهسازی میکند و با توجه به اختیار کاربر در تعیین تعداد مقاطع عرضی مورد نیاز و همچنین تعداد شبکهبندی در جهت عرضی و چگونگی تقسیم بندی ارتفاعی جریان، این مدل به راحتی امکان دسترسی به هر پروفیل سرعت در هر قسمت از کانال را برای کاربر فراهم میکند (مقبل و همکاران .(1388 در سال 1390 باصر و همکاران به مدلسازی عددی تأثیر طول آبشکن غیر مستغرق و عمود برمحور جریان و خصوصیات جریان اطراف آن به وسیله نرم افزار SSIIM2 پرداختند (باصر و همکاران .(1390 در سال 2012 ژیوفنگ و یانگ به بررسی توزیع شدت آشفتگی در اطراف آبشکنهای با ساختار متفاوت تحت شرایط یکسان جریان پرداختند. نتایج نشان داد شدت تلاطم حول انتخاب بهتر آبشکن ایجاد کرد (ژیوفنگ و یانگ .(2012 در سال 1391 واقفی و همکاران به بررسی تأثیر هندسی نسبت طول بال به طول جان آبشکن های T شکل مستقر در قوس 90 درجه بر میزان آبشستگی اطراف آنها با استفاده از نرم افزار SSIIM پرداختند. آنها دراین تحقیق دریافتند که محدوده تغییرات عمق آبشستگی بیشینه بین 1/29تا 1/42 برابر عمق جریان در بالادست می باشد ( واقفی و همکاران .(1391 در سال 2010 ناجی و همکاران به مطالعه عددی و آزمایشگاهی جریان در قوس 90 درجه پرداختند. آنها دریافتند انحراف جریان به سمت دیوار خارجی کانال در جایی رخ میدهد که جریان ثانویه بیشترین سرعت را دارد (ناجی و همکاران .(2010
معادلات حاکم
در نرم افزار SSIIM جهت حل میدان جریان از معادلات ناویر استوکس استفاده می شود که به صورت زیر نوشته می شود.
که در آنU سرعت متوسط زمانی، P فشار، x j عرض از مبدأ، u تغییرات سرعت و چگالی سیال است. انتقال رسوب به دو بخش بار بستر و ذرات معلق تقسیم میشود. مدل عددی SSIIM برای محاسبه انتقال رسوب ابتدا معادله پخش- انتقال را حل می کند. معادله پخش- انتقال نیز برای میزان رسوبات به صورت زیر بیان میگردد.
که در آن c میزان رسوبات، w سرعت سقوط ذرات و T ضریب پخش میباشد . . نرمافزار SSIIM برای محاسبه بار ذرات معلق از رابطه (van Rijn 1987) استفاده میکند
در این رابطه، d قطر ذرات، a ارتفاع سطح مبنا که برابر با ارتفاع زبری معادل در نظر گرفته میشود، τ تنش برشی بستر، برشی بحرانی بستر برای حرکت ذرات رسوب بر اساس نمودار شیلدز، w و s به ترتیب چگالی آب و رسوب، ویسکوزیته آب و g نیز شتاب ثقل میباشد (اولسن .(2011
معرفی مدل مورد مطالعه
مدل مورد مطالعه یک کانال قوسی شکل با زاویه 90 درجه و با شعاع انحنای میانگین 2/4 متر میباشد که از یک قسمت مستقیم به طول 7/1 متر در بالادست و همچنین قسمت مستقیم دیگری به طول 5/2 متر در پاییندست قوس، تشکیل شده است. نسبت شعاع انحنای قوس به عرض کانال برابر 4 میباشد. مقطع کانال مستطیلی بوده و دارای عرض 0/6 مترمی باشد. آبشکن مورد استفاده در این تحقیق دارای پلان T شکل، طول جان و بال و ضخامت 1 سانتی متر می باشد که در موقعیت 45 درجه و ساحل خارجی قوس 90 درجه نصب گردیده است. جهت صحت سنجی از مدل آزمایشگاهی واقفی استفاده شده است.
نتایج
در شکل (1) پروفیل بستر بی بعد شده برای حالت های عددی و آزمایشگاهی نشان داده شده است. در این شکل ds، بیانگر عمق آبشستگی موضعی، h عمق جریان در مسیر مستقیم بالادست و RC شعاع مرکزی قوس می باشد. در هر دو حالت عددی و آزمایشگاهی زاویه و محل شروع چاله آبشستگی یکسان می باشد. وجود آبشکن سبب ایجاد حفره آبشستگی با عمق ماکزیم – 14/76 سانتی متر از بستر اولیه می باشد که حدودا از زاویه 40 درجه از ابتدای قوس، شروع به شکل گیری می نماید. که در ادامه این حفره آبشستگی با عمق کمتر ولی در پایین دست قوس نیز مشاهده می شود. جریان های رو به پایین در نوک بال آبشکن باعث جدا شدن مصالح بستر می گردند. مصالح جدا شده از بستر توسط جریان های موجود در لایه های میانی به سمت عرض کانال پرتاب می شود سپس جریان های نزدیک بستر مصالح را به سمت پایین دست کانال منتقل می کنند. در پایین دست قوس و در کنار دیواره داخلی تشکیل پشته رسوبی به علت خروج رسوبات از چاله آبشستگی مشاهده می شود.
در شکل -2)الف) پروفیل عرضی بستر در زاویه 30 درجه از ابتدای قوس نشان داده شده است که در این مقطع پدیده خاصی مشاهده نمی شود. در شکل -2) ب) و -2) ج) به ترتیب پروفیل عرضی در محدوده آبشکن و در زوایای 44 و 46 درجه نشان داده شده است. چاله آبشستگی در این مقاطع به وضوح دیده می شودکه ارتفاع این چاله در بالا دست آبشکن به علت جریان پایین رونده در وجه بالادست و توسعه جریان ثانویه بیشتر است. در شکل -2) د) که پروفیل عرضی در مقطع 70 درجه را نشان می دهد، پشته رسوبی در کناره دیواره داخلی قوس و آبشستگی در مجاورت دیواره خارجی که در پایین دست قوس تشکیل شده است مشاهده می شود.
در شکل((3 قدرت جریان ثانویه نشان داده شده است. در این نمودار ملاحظه میگردد که قدرت جریان ثانویه در موقعیت آبشکن بیشترین مقدار را داشته و از ابتدای قوس تا محل آبشکن تغییرات قدرت جریان ثانویه به صورت صعودی و در پایین دست آبشکن به صورت نزولی است و بازه تغییرات قدرت جریان ثانویه بین 0-25 درصد میباشد. همچنین از مقایسه دادههای عددی با دادههای آزمایشگاهی واقفی مشاهده میشود که ماکزیمم قدرت جریان ثانویه و همچنین موقعیت آن دقیقا با هم منطبق بوده و نیز روند تغییرات قدرت جریان ثانویه در آنها به هم نزدیک و از دقت قابل قبولی برخوردار میباشد به طوری که در هر دوی این مدلها، روند تغییرات قدرت جریان ثانویه از ابتدای قوس تا تقریبا دماغه بال بالادست آبشکن به صورت صعودی و از این موقعیت تا انتهای قوس نیز به صورت نزولی است. همچنین ملاحظه میگردد که در تمامی طول قوس مقدار خطای بین قدرت جریان ثانویه برای دادههای آزمایشگاهی و عددی کمتر از 5 درصد میباشد که خطای قابل قبولی میباشد.
