بخشی از مقاله
خلاصه
صفحات مستغرق سازههایی هستند که در بستر مسیرهای آبی با زاویهای در مقابل جریان نصب میشوند. عملکرد اصلی آنها ایجاد جریان گردابی و تغییر الگوی جریان و توپوگرافی بستر است. در تحقیق حاضر به بررسی تغییرات ابعاد حفره آبشستگی حول صفحه مستغرق با تغییر پارامترهای هندسی صفحه در کانال مستقیم به صورت عددی پرداخته شده است.
بدین منظور الگوی جریان حول صفحه با تغییر پارامترهای ارتفاع و طول صفحه و همچنین زاویه نصب صفحه در بستر آبرفتی با مدل SSIIM شبیهسازی و صحتسنجی شده و سپس تغییرات ابعاد حفره آبشستگی حول صفحه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این بررسی نشان داد به طور کلی با افزایش هریک از پارامترهای مذکور، ابعاد حفره آبشستگی حول صفحه افزایش مییابد. همچنین پارامتر زاویه نصب صفحه بیشترین تأثیر را بر عرض و عمق آبشستگی موضعی حول صفحه دارد، اما برای طول حفره آبشستگی، پارامتر ارتفاع صفحه دارای بیشترین اثر است.
.1 مقدمه
علیرغم مطالعات بسیار زیادی که انجام شده است، هنوز هم آبشستگی از دلایل اصلی شکست سازههای هیدرولیکی است. دو روش کلی برای کنترل یا کاهش آبشستگی سازههای هیدرولیکی وجود دارد:
الف - بسترسازی اطراف سازهها برای مقابله با تنشهای برشی،
ب - استفاده از روشهایی که منجر به تغییر مسیر و کاهش سرعت جریان جریان برخورد کننده به سازهها میشوند
صفحات مستغرق سازههایی با ارتفاع حدود یک-سوم عمق جریان هستند که با ایجاد جریان گردابی منجر به تغییر مسیر جریان و کنترل آبشستگی میشوند. این سازهها معمولاً برای کنترل آبشستگی پایههای پل 1 ، ممانعت از فرسایش جدار رودخانهها 2 ، تثبیت بستر 3 و کنترل رسوب ورودی به آبگیرهای جانبی 4، 5 و6 بهکار میروند. علیرغم کارایی صفحات مستغرق در کنترل آبشستگی، خود آنها نیز دچار آبشستگی موضعی هستند. تغییرات ابعاد حفره آبشستگی در لبه ابتدایی صفحه مستغرق با تغییر شکل صفحه از مستطیلی به ذوزنقه و منحنی و نیز تغییر زاویه برخورد جریان با صفحه مورد بررسی قرار گرفت
نتیجه تحقیق مذکور نشان داد :
الف - آبشستگی حول صفحه مستغرق مستطیلی بیشتر از ذوزنقه و منحنی است.
ب - هرچه زاویه برخورد جریان با صفحه بیشتر باشد آبشستگی حول صفحه نیز بیشتر خواهد بود .
تغییرات طول و ارتفاع صفحه نیز بر آبشستگی موضعی صفحه تأثیر گذارند. مسئلهای که بندرت مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در پژوهش حاضر به بررسی تغییرات ابعاد حفره آبشستگی حول یک صفحه مستغرق با تغییر همزمان پارامترهای هندسی صفحه پرداخته شده است.
بدین منظور الگوی جریان و رسوب حول یک صفحه مستغرق در بستر آبرفتی کانال مستقیم با استفاده از نرم افزار SSIIM شبیهسازی و صحت سنجی شده است. سپس برای هریک از پارامترهای هندسی طول و ارتفاع صفحه و زاویه برخورد جریان با صفحه چهار سطح تغییر انتخاب شده و 16 مدل عددی که با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی طراحی شده اجرا شده است. سپس ابعاد حفره آبشستگی در لبه ابتدایی صفحه از نتایج شبیهسازی عددی استخراج شده و روابطی برای تغییرات عمق، عرض و طول آبشستگی صفحه مستغرق با تغییر پارامترهای هندسی مذکور ارائه شده است.
.2 مواد و روش ها
2.1 مدل عددی و صحت سنجی آن
در مدلسازی عددی از نرم افزار SSIIM استفاده شده است که در آن معادلات رینولدز با روش حجم محدود و الگوی انفصال SOU با کوپل سرعت و فشار با روش SIMPLE و به کمک مدل آشفتگی دو معادله ای k- به صورت ضمنی حل شده است. برای بار معلق رسوب معادله انتقال غلظت و برای بار بستر روش فن راین بهکار رفته است
در حالتی که سازهای در میدان جریان باشد و یا قرار است به کرات مدلسازی عددی با تغییر پارامترها صورت گیرد، بنا بر تجربه نویسنده بهترین راه تولید شبکه برای نرم افزار SSIIM برنامه نویسی است. در این تحقیق هندسه و شبکه مدل با استفاده از برنامه نویسی به زبان فورترن تولید شده است. برای صحت سنجی مدل عددی، از نتایج آزمایشگاهی استفاده شده است. در مدل آزمایشگاهی، صفحه مستطیلی به طول 0/24 متر و ارتفاع 0/12 متر با زاویه 40 درجه در مقابل جریانی با عمق 0/4 متر در بستر آبرفتی کانال مستطیلی به طول 20 متر و عرض 1/54 متر قرار گرفته است. جریان با دبی 0/21 مترمکعب بر ثانیه در کانال جاری است .در شکل 1 طرح شماتیک صفحه مستغرق در کانال مستطیلی مستقیم نشان داده شده است.
شبکه محاسباتی شامل 135×62×15 گره به ترتیب در جهت های x، y و z به عنوان شبکه مناسب با زبری 6/6d50 در نظر گرفته شده است. مدل عددی با یک سیستم CPU 2.53 GHz اجرا شده و به ازای 12 شبانه روز اجرای سیستم، زمان تعادل رسوب پس از حدود 70 ساعت بدست آمد - مدل آزمایشگاهی پس از 72 ساعت به تعادل رسیده است - . به علت رعایت اختصار از بیان جزئیات آزمایش شبکه، انتخاب زبری و سایر تنظیمات مدل-سازی عددی خودداری شده است، علاقمندان می توانند به 10 مراجعه نمایند.
شکل -1 طرح شماتیک یک صفحه مستغرق در بستر کانال مستقیم
به منظور صحت سنجی نتایج مدل عددی، الف - پروفیلهای سرعت برایند - برایند مؤلفه های طولی، عرضی و عمقی سرعت - پیشبینی شده با سرعت برایند مدل آزمایشگاهی 9 در مقاطع طولی و عرضی مختلف، ب - تغییرات توپوگرافی بستر پیشبینی شده در مدل عددی با مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است . 10 به علت رعایت اختصار و به عنوان نمونه مقایسه پروفیلهای سرعت براینددر مقطع طولی گذرنده از مرکز صفحه و در چهار مقطع عرضی در شکل - 2 - نشان داده شده است. مطابق این شکل پروفیلهای سرعت با همان روند پروفیلهای سرعت آزمایشگاهی پیشبینی شدهاند. متوسط خطای مدل عددی در پیشبینی سرعتها 5/4 درصد با روشRMS1 محاسبه شده است. همچنین در شکل - 3 - توپوگرافی یستر پیشبینی شده در مدل عددی با توپوگرافی بستر مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. مدل عددی بیشینه عمق آبشستگی حول صفحه را با خطای کمتر از 17 درصد پیشبینی نموده است.
شکل -2 مقایسه پروفیل سرعت مدل عددی با مدل آزمایشگاهی
شکل -3 مقایسه توپوگرافی بستر مدل عددی با مدل آزمایشگاهی
2.2 طراحی مطالعات
پارامترهای هندسی صفحه شامل طول صفحه - L - ، ارتفاع صفحه - H - و زاویه برخورد جریان با صفحه - - بر تغییرات توپوگرافی بستر حول صفحه مؤثر هستند برای بررسی تأثیر این پارامترها، هریک در چهار سطح در نظر گرفته شدهاند. جدول 1 پارامترهای مؤثر بی بعد شده و سطوح تغییر آنها را نشان میدهد. در این جدول D معرف عمق جریان است. مطابق جدول 1 چهار زاویه به همراه چهار مقدار H/D و چهار مقدار L/H باید بررسی گردد. یعنی در حالت فاکتوریل کامل باید به تعداد 64=4×4×4 مدل مختلف شبیهسازی شود. برای کاهش تعداد مطالعات، از روش تاگوچی در طراحی مطالعات استفاده شده است که در آن به جای 64 مدل، 16 مدل مورد بررسی قرار میگیرد. علاقمندان برای مطالعه بیشتر در اینباره به 10 و 11 مراجعه نمایند.
جدول -1 پارامترهای مؤثر و سطوح تغییر آنها
در جدول 2 نحوه ترکیب سطوح در 16 مطالعه مذکور نشان داده شده است. به عنوان نمونه در مطالعه بند 9 جدول 2 که دارای ترکیب 4-1-3 است، سطح سوم پارامتر H/D یعنی H/D=0/45، سطح اول پارامتر L/H یعنی L/H=1/25 و سطح چهارم پارامتر یعنی =45 باید برای صفحه مستغرق در نظر گرفته شود. با توجه به ترکیبات طراحی شده در جدول 2، 16 مدل از ترکیب پارامترهای فوق شبیهسازی شد و مقادیر توابع هدف عمق حفره آبشستگی - Zs - ، طول حفره آبشستگی - Xs - و عرض حفره آبشستگی - Ys - در لبه ابتدایی صفحه که نسبت به ارتفاع صفحه بی بعد شدهاند استخراج گردید.
