بخشی از مقاله
خلاصه
آبشکنها سازههایی هستند که جهت هدایت جریان در امتداد مسیر اصلی آبراهه و حفاظت سواحل در برابر فرسایش به کار میروند. پدیده آبشستگی در نوک این سازهها، همواره بعنوان یکی از مهمترین عوامل برهمخوردن پایداری سازه و پایین آمدن کارایی آنها وجود دارد و از جمله مهمترین پارامترهایی که بر حداکثر عمق آبشستگی و نیز توپوگرافی بستر تاثیر مستقیم دارد، فاصله بین آبشکنها در طول کانال است.
در این مقاله با استفاده از مدل سهبعدی SSIIM الگوی رسوب و آبشستگی در اطراف سری آبشکنهای دوطرفه و یکطرفه با فواصل طولی و فرودهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته و مقایسه شدهاند. نتایج نشان داد انتخاب نسبت S/L=3.5 در آبشکنهای دوطرفه و S/L=2.5 در آبشکنهای یکطرفه L - طول آبشکن، S فاصله آبشکنها - جهت حفظ پایداری و داشتن بهترین عملکرد از نظر آبشستگی مناسب میباشد.
همچنین با بررسی عدد فرود مشاهده گردید میزان حداکثر آبشستگی نسبی با افزایش عدد فرود روندی صعودی داشته و با بررسی مدل در فرودهای مختلف نتیجه شد در جریانهای تحت بحرانی در محدوده 3<S/L<4 در کانال با آبشکن دوطرفه و 2<S/L<3 در کانال با آبشکنهای یکطرفه، آبشکن بهترین کارایی را دارد. نتایج حاصل از مدل عددی و داده-های آزمایشگاهی حاکی از توانایی مدل عددی در شبیهسازی الگوی جریان در محدوده یکسری آبشکن میباشد.
.1 مقدمه
آبشکنها با معادلهای Groyne در زبان انگلیسی، Epi درزبان فرانسوی و Spur Dike در زبان لاتین، از جمله سازه-های مهم در کنترل فرسایش در رودخانهها و ساماندهی آنها میباشد. آبشکنها مبتنی بر ساخت سازههای متقاطع یا عرضی هستند که از دیواره طبیعی رودخانه با طول و زاویه مناسب نسبت به راستای عمومی جریان، توسعه یافته سبب انحراف حمله جریان از کنارهها و نواحی بحرانی شده و جریان را به سمت محور مرکزی رودخانه هدایت مینمایند. مهمترین دلیل استفاده از آبشکنها را میتوان در محافظت از سواحل رودخانه و مدیریت عمق رودخانهها بیان نمود
تحقیقات متعددی تاکنون در زمینه آبشکن به صورت آزمایشگاهی و عددی انجام شده است. یوجتوال در سال 1999 نتایج تحقیقات آزمایشگاهی خود را در مقالهای به نام :"اندازهگیری الگوی سرعت در حوضه آبشکنها به کمک ابزار ردیابی ذرات " P.T.V ارائه داد، تاثیرات مهم نسبت ابعاد حوضه و نیز شماره هر حوضه در سری آبشکنها را بر تعداد و شکل گردابهها در حوضه آبشکن مشخص کرد.[
فرقانی و همکاران - - 2007، به مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان دوبعدی و آبشستگی پیرامون آبشکن مستقیم و مستقر در قوس 90 درجه پرداختند. فضلی و همکاران - 2007 - ، نیز به بررسی آزمایشگاهی تغییرات آبشستگی و چگونگی تشکیل حفره آبشستگی اطراف آبشکنهای مستقیم در قوس 90 درجه پرداختند و نتیجه گرفتند هر چه موقعیت آبشکن به سمت انتهای قوس پیش رود مقدار آبشستگی بیشتر میشود
فضلی و همکاران - 2008 - ، دوآن - 2009 - ، مهرنهاد و قدسیان - 1391 - ، واقفی و همکاران - 1387 - ، نور بخش و همکاران - - 1390، کرماننژاد و همکاران - - 1390 تحقیقات مختلفی را بر روی آبشکنها انجام داده و موارد مختلفی را بررسی کردند.
قدسیان و حسینی - - 2001، با استفاده از فلوم آزمایشگاهی به بررسی خصوصیات چاله فرسایش اطراف آبشکن پرداختند و روابطی برای تخمین حداکثر عمق آبشستگی به سمت بالادست، در راستای پاییندست و در جهت محور آبشکن ارائه دادند. همچنین اردشیر و همکاران - 2005 - ، مطالعاتی در یک فلوم آزمایشگاهی انجام دادند و در نهایت گزارش کردند که مناسب-ترین طول آبشکن فرعی 0/66 تا 0/77 طول آبشکن اول میباشد.
دهقانی و همکاران - 1392 - ، با استفاده از نرمافزار SSIIM به بررسی الگوی جریان و آبشستگی اطراف سری آبشکنهای مستقیم یکطرفه پرداختند و نتایج عددی خود را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه نمودند
واقفی و همکاران - 1393 - ، با استفاده از نرمافزار Flow 3D به مطالعه تاثیر انحنا بر الگوی جریان پیرامون آبشکن Tشکل مستقر در قوس به صورت مستغرق و غیرمستغرق و با استفاده از نرمافزار SSIIM نیز به بررسی اثر شعاع انحنای قوس 90 درجه توام با استقرار آبشکن سرسپری بر الگوی جریان و آبشستگی پرداختند
همانگونه که مشاهده میشود تاکنون مطالعه عددی بر آبشکنهای سری دوطرفه و بررسی بهترین فاصله بین آنها صورت نگرفته است. بدین منظور به بررسی مدل آزمایشگاهی دکتر هاوژانگ با استفاده از مدل عددی SSIIM پرداخته و بهترین فاصله طولی جهت افزایش کارایی و حفظ پایداری آبشکنها بدست آمده است.
.2 مواد و روشها
مدل SSIIM معادلات نایوراستوکس1 و مدل آشفتگی K − ε استاندارد را با استفاده از شبکه سهبعدی غیر متعامد 2 جابه جا نشده 3 حل میکند. برای منفصلسازی از روش حجم کنترل با استفاده از طرح قاعده توانی 4 با طرح جهتمند مرتبه دوم 5 استفاده میشود. برای ارتباط دهی جمله فشار و سرعت، روش سیمپل استفاده میشود. در این مدل با استفاده از روش حل ضمنی ابتدا مقدار سرعت و سپس سایر متغیرهای میدان - نظیر فشار، k، و - محاسبه شده و در مرحله بعد، مولفههای سرعت بدست آمده، در حل معادلات انتقال و پخش رسوب برای اندازههای مختلف دانهبندی رسوب مورد استفاده قرار میگیرد.
.3 مدل آزمایشگاهی
شبیهسازی بر اساس مدل آزمایشگاهی دکتر هاووژانگ - - 2005 انجام شد. آزمایش وی در یک فلوم با طول 20 متر، عرض یک متر و عمق 30 سانتیمتر که بغیر از 90سانیمتر ابتدایی که برای رفع اغتشاشات اولیه جریان به صورت بستر ثابت لحاظ شده، سایر طول بستر را با لایه 15 سانتیمتری رسوب یکنواخت با قطر متوسط برابر 196میکرومتر، پوشیده شده است، انجام پذیرفته است. در انجام این آزمایش از 20 آبشکن که در دو طرف کانال بصورت سری قرار گرفتهاند، استفاده شده است. ابعاد آبشکنهای نفوذناپذیر غیرمستغرق که از جنس چوب میباشند بصورت 14,60 سانتیمتر طول و 1,50سانتیمتر ضخامت می باشد.
جدول-1 مشخصات هیدرولیکی جریان
شکل -1 مشخصات میدان حل[13]
در مورد ذرات رسوب اطلاعات دیگر به شرح زیر میباشد:
درجه ∅=34/8 - زاویه پایداری - = 2/463cm/s سرعت سقوط = 1/475 cm/s سرعت بحرانی برشی =2/56 gr/cm3 دانسیته ذرات
شکل-2 جانمایی آبشکنهای سری دوطرفه
.4 شرایط مرزی و شبکه بندی
برای اعمال شرایط مرزی سرعت و آشفتگی در ورودی بالادست میدان، از شرط مرزی دیریکله استفاده شد . اعمال این شرایط در مدل SSIIM، با دادن دبی و سطح آب در پاییندست و همچنین مشخص کردن عدد استریکلر و زبری اعمال میشود. همچنین این مدل به تنهایی قادر به تولید شبکه مورد نظر برای میدان حل نمیباشد و به همین منظور باید با استفاده از برنامههای کمکی و یا برنامه نویسی، شبکه مورد نظر را با فرمت خاص برای آن تولید کرد. از اینرو با استفاده از دو نرمافزار متلب و اکسل، مشبندی میدان حل انجام شد.
