بخشی از مقاله
چکیده
پیشبینی آبشستگی در اطراف سازههای مختلف ساخته شده در رودخانه ها با استفاده از مدلهای عددی همواره مورد توجه محققین و طراحان این سازهها بوده است. از آنجا که آبشکن یکی از این سازهها برای سامان دهی رودخانه هاست.در این پژوهش تلاش گردیده که آبشستگی در اطراف آبشکنهای باز با استفاده از شبیهسازی عددی پیش بینی گردد.
با توجه به اینکه در استفاده از نرمافزارها مدل آشفتگی مورد استفاده از اهمیت بسزایی برخوردار است، لذا در این تحقیق مدلهای مختلف آشفتگی در نرمافزار Flow-3D مورد استفاده قرار گرفته و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. در ادامه بهترین مدل آشفتگی که هم در پیشبینی حداکثر آبشستگی و هم در پیشبینی موقعیت حداکثر آبشستگی موفقتر عمل نموده، معرفی گردیده است.
مقدمه
آبشکن ها معمولاٌ در طول کناره رودخانه ها به منظور کنترل فرسایش و حفاظت از سواحل رودخانه مورد استفاده قرار میگیرند. بسیاری از سازههای احداث شده در رودخانهها به علت عدم شناخت صحیح پدیده آبشستگی تخریب شده و خسارات زیادی به آنها وارد گردیده است. بنابراین اطلاع از مقدار حداکثر آبشستگی اطراف سازههایی که در رودخانهها احداث میشوند از اهمیت خاصی برخوردار است.
شکل-1 شکل شماتیک الگوی جریان اطراف یک آبشکن
در این مقاله به بررسی میزان آبشستگی اطراف یک نمونه آبشکن باز پرداخته شده و با مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل عددی حاصل از نرم افزار FLOW-3D نتایج بهترین مدل به منظور پیشبینی حداکثر میزان آبشستگی در اطراف آبشکنهای باز ارائه شده، در نهایت نیز به مقایسه نتایج حاصل از نرمافزار با نتایج آزمایشگاهی پرداخته شده و کارایی این نرمافزار جهت تخمین حداکثر میزان آبشستگی مورد بررسی قرار گرفته است. میتوان ادعا نمود که تا کنون کار جامعی در رابطه با تخمین آبشستگی اطراف آبشکنها علیالخصوص آبشکنهای بازانجام نگرفته و تمام فعالیتها در این زمینه همیشه با درصد زیادی از خطا همراه بوده است. از جمله مطالعات انجام شده برای تخمین آبشستگی اطراف آبشکن های بسته می توان به موارد زیر اشاره کرد:
در آزمایشی که توسط استیلجر1 و پاسیوک2 در سال 2010 به منظور دنبال کردن مسیر ذرات جرم در مجاورت میلههای استوانهای شکل آبشکنهای باز و پایههای پل صورت پذیرفت رابطهای برای تعیین موقعیت ذره در هر لحظه به دست آمد
میلر3 و همکاران در سال 1983 مطالعات وسیعی روی آبشکنهای بسته و باز انجام دادهاند که برخی از نتایج آنها بهشرح زیر میباشد:
- با توجه به انواع مختلف آبشکن باز، هر چه نفوذپذیری آبشکن بیشتر شود، آبشستگی موضعی در دماغه آبشکن کمتر میشود. همچنین آبشکن باز با مقطع دایرهای شکل در مقایسه با آبشکن با مقطه مربع شکل آبشستگی کمتری تولید میکند.
- مقدار سرعت برشی، U* تابعی از نوع آبشکن میباشد. آبشکنهای بسته به طور کلی مقادیر بزرگتر U* را نسبت به آبشکنهای باز تولید میکنند. همچنین مقدارU* بهطور کلی با افزایش نفوذپذیری آبشکن کاهش مییابد.
- زاویه آبشستگی ایجاد شده - زاویه آبشستگی عبارت از زاویه انحراف جریان توسط آبشکن به سمت دیوراه مقابل میباشد - بهوسیله آبشکنهای بسته تحت تمام شرایط آزمایش شده بزرگتر از زاویه آبشستگی تولید شده بهوسیله هرکدام از آبشکنهای باز برای همان حالت میباشد.
ریچاردسون - 1995 - 4 نیز بر اساس آزمایشات، رابطهای را جهت تخمین آبشستگی بهدست آورد.[ 5 ] کیسلو - 1972 - 5 رابطهای را جهت بهدست آوردن سرعت متوسط جریان در پاییندست اولین آبشکن باز ارائه نمود .
آلتونین - 1962 - 6 بر اساس آزمایشاتی که انجام داد فاصله تاثیر یک آبشکن منفرد بر روی جریان را در طول خط ساحلی بهصورت رابطهای ارائه نمود .
یاسی در سال 1377 به بررسی خصوصیات و توپوگرافی کف بستر پیرامون یک آبشکن پرداخت[7] و یا نصرالهی در سال 1380، اثر درصد باز شدگی روی آبشستگی اطراف آبشکنهای باز را مورد بررسی قرار داد
صانعی در سال 2006 آزمایشاتی بهمنظور یافتن اثر درصد انسداد بر عمق آبشستگی ناشی از آبشکن تیغهای انجام داد که بر اساس مطالعات این محقق هر چه درصد انسداد بیشتر باشد عمق آبشستگی بیشتر میشود .[6]کاردان، حسنزاده و حکیمزاده در سال 2012 تحقیقی را جهت بهدست آوردن تنشهای برشی بستر اطراف میلههای استوانهای انجام دادند
مواد و روشها تجهیزات آزمایشگاهی و آزمایشهای انجام شده
فلوم موجود در مرکز تحقیقات آب وزارت نیرو که به منظور مطالعه و بررسی عملکرد آبشکنها طراحی و ساخته شده است جهت انجام آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت. فلوم مزبور دارای 14 متر طول، 2 متر عرض و 0/5 متر ارتفاع بوده و شیب کف آن نزدیک به صفر میباشد. این فلوم از جنس مصالح بنایی ساخته شده است. دیواره جناح راست آن جهت مشاهده الگوی جریان و نحوهی شسته شدن مصالح بستر شیشهای میباشد.
برای انجام آزمایشات مربوط به این مطالعه لازم بود تغییراتی در کف فلوم داده شود، به همین منظور کف فلوم در محدودهای بهطول 8 متر و به فواصل 3/5 و 2/5 متر از بالادست و پایین دست آن تا عمق 54 سانتی متر تخریب گردیده و از مصالح مورد استفاده جهت آزمایشات پر گردید. در این مقاله از نتایج آزمایش با درصد بازشدگی 50 درصد استفاده شده است. بستر فلوم از مصالح با قطر 0/26 میلی متر پر گردیده است. طول آبشکنها در هر این آزمایش 50 سانتی متر بوده و زاویهی بین آبشکن و دیواره فلوم 90 درجه میباشد. پس از اتمام آزمایش الگوی آبشستگی و رسوبگذاری ناشی از انتقال ذرات شسته شده در اطراف آبشکن اندازهگیری شده است.
جهت اندازهگیری عمق آبشستگی و ارتفاع رسوبگذاری ابتدا محدودهی اطراف آبشکن، که در آن آبشستگی و رسوبگذاری اتفاق افتاده بود، بهصورت شبکههای 50×50 و یا 100×100 میلی متری بسته به میزان آبشستگی با استفاده از ریسمان مدرج تقسیمبندی میگردید.سپس عمق و یا ارتفاع در محل تقاطع شبکهها قرائت میگردید
شکل.2 - الف - : پلان و - ب - : مقطع فلوم آزمایشگاهی
معرفی نرم افزار Flow-3D
نرم افزار Flow-3D یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات میباشد و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این نرم افزار برای مدل کردن جریانهای سطح آزاد سه بعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این نرم افزار از دو تکنیک عددی برای شبیهسازی هندسی استفاده شده است:[9]
1. روش حجم سیال : - VOF - از این روش برای مدلسازی جریانهای با سطح آزاد استفاده میشود.
2. روش کسر مساحت- حجم مانع : - FAVOR - از این روش برای شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود.
در این نرمافزار معادلات حاکم بر سیال با استفاده از تقریبات تفاضل - یا حجم - محدود حل میشود. همچنین محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیم شده که برای هر سلول مقادیر میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد. به جز سرعت که در مرکز وجوه سلول در نظر گرفته میشود، همه متغیرها در مرکز سلول قرار دارند.
مدلهای آشفتگی
اکثر جریانهای موجود در طبیعت به صورت آشفته میباشند. در اعداد رینولدز پایین جریان آرام بوده ولی در اعداد رینولدز بالا جریان آشفته میشود، بهطوری که یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار بهطور پیوسته درون بخشهای مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر میکنند، گسترش مییابد. این جریانها بهوسیله خصوصیاتی که در ادامه ارائه شدهاند، شناسایی میگردند :
· جریانهای آشفته بهشدت غیر یکنواخت هستند. دراین جریانها اگر تابع سرعت در برابر زمان ترسیم شود، بیشتر شبیه به یک تابع تصادفی خواهد بود.
· این جریانها معمولاً سهبعدی هستند. پارامتر سرعت میانگین گاهی اوقات ممکن است تنها تابع دو بعد باشد، اما در هر لحظه ممکن است سهبعدی شود.
· در این نوع جریانها گردابهای کوچک بسیار زیادی وجود دارند. شکل کشیده یا عدم تقارن گردابها یکی از خصوصیات اصلی این جریانها است؛ که این امر با افزایش شدت آشفتگی افزایش مییابد.
