بخشی از مقاله
چکیده
نقش عوامل هیدرولیکی در تخریب پلها مهم تر از عوامل سازهاي می باشد. در این تحقیق توسعه ي آبشستگی موضعی اطراف پایه استوانه ایی و مطالعه اثر شکاف پایه پل و مقایسه با پلهایی با پایه بدون شکاف بر میزان آبشستگی با استفاده از مدل عددي تحت شرایط جریان آب زلال و با استفاده از مدل آشفتگی k- ε مورد بررسی قرار گرفت. مدل عددي توسط نرم افزار Fluent و بر اساس داده-هاي آزمایشگاهی ملویل صحت سنجی و مورد بررسی قرار گرفت.
داده هاي آزمایشگاهی در شرایط بستر هموار و صلب و جریان آب زلال به طول کانال 4.5 متر که 3 متر دربالادست و1.5 متر در پایین دست، به عرض 0.456 متر، شیب بستر 0.01 درصد، قطر پایه 0.051 متر، رسوبات بستر با اندازه متوسط دانهها D50=0/385، سرعت متوسط جریان 0.25 متر برثانیه ، عمق جریان و طول شکاف 0.15 متر در نظر گرفته ومورد بررسی قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که بکارگیري شکاف پایه پل موجب کاهش حجم وعمق آبشستگی در اطراف پایه پل می شود این کاهش حجم در بیشترین مقدار خود به %24 ودر کمترین مقدار خود به %0.33 میرسد. طبق این تحقیق هرچه عرض شکاف بیشتر باشد، حجم آبشستگی کاهش یافته و با افزایش غیر همزمان زاویه جریان نسبت به شکاف پایه پل، حجم آبشستگی افزایش می یابد. اگر به خاطر مسایل سازه ایی اجراي پایه پل شکافدار مقدور نباشد باید از دو پایه بدون شکاف با فواصل کم نسبت به هم اجرا شود.
-1 مقدمه
پلهاي زیادي بدلیل عوامل سازهایی یا عوامل هیدرولیکی تخریب می شوند. که در این میان نقش عوامل هیدرولیکی مهم تر می باشد. آبشستگی در محل پلها را می توان به دو دسته آبشستگی عمومی وآبشستگی موضعی تقسیم بندي نمود. اگر در بازه احداث پل، بستر رودخانه شسته شده و نسبت به بستر طبیعی رودخانه در بالادست، در تراز پایین تري قرار بگیرد به آن آبشستگی عمومی گفته می شود.منظور از آبشستگی موضعی پایین رفتن بستر رودخانه در اطراف سازه هاي احداث شده در آن نسبت به تراز بستر، بعد از پایین رفتن در اثر آبشستگی عمومی می باشد. آبشستگی موضعی در اطراف پایه هاي پل در اثر یک سیستم گردابی بوجود می آید.
این سیستم گردابی در اثر انحراف جریان توسط پایه ها ایجاد می شود. سیستم اصلی گردابی که به تشکیل حفره هاي آبشستگی کمک می کند، از برخورد جریان به جلو پایه و انحراف آن به طرف پایین ایجاد می شود. جریان روبه پایین پس از برخورد به بستر رودخانه درجلو پایه گودالی را حفر می کند که در داخل این گودال جریان چرخشی ایجاد شده و به تدریج عمق حفره اضافه می شود. جریان چرخشی در جلو پایه به دو طرف پایه نیز امتداد می یابد و شکلی به خود میگیرد که در پلان شبیه نعل اسب است، از این رو به آن گرداب نعل اسبی گفته میشود. علاوه بر گردابههاي نعل اسبی1 در مجاورت بستر پایه پل، گردابههایی قائم نیز در وجه پائین دست پایه وجود دارند که با عنوان گردابه هاي حلقوي برخاستی2 شناخته میشوند.
جدایش جریان در کنارههاي پایه سبب به وجود آمدن این گردابههاي حلقوي برخاستی میشود. این گردابهها حالتی پایدار نداشته و به تناوب از وجهی به وجه دیگر پایه پل حرکت میکنند. با این وجود باید به این نکته توجه کرد که هر دو گردابه نعل اسبی و حلقوي برخاستی سبب فرسایش مواد بستر در اطراف پایه پل میگردند. شدت گردابههاي حلقوي برخاستی با فاصله گرفتن از پایه پل در پائین دست به شدت کاسته میشود به گونه اي که ته نشست رسوبات به طور معمول بلافاصله در پائین دست پایه پل اتفاق میافتد.
با توجه به اهمیتی که آبشستگی اطراف پایه پل در پایداري این سازه دارد، محققین مختلفی مطالعات زیادي در این زمینه انجام داده اند، که می توان به کارهاي - شن، - 1966 که با در نظرگیري تاثیر عدد رینولدز - بروسرز، - 1977 و - چیو، 1992 و - 2000 اشاره کرد که روابطی را براي محاسبه عمق آبشستگی در شرایط بستر زنده3 ، و با در نظر گیري اثر سرعت، اندازهرسوبات وچگالی آب و بعضاً تاثیر عرض و شکل پایه هاي پل و همچنین عمق جریان ارائه نموده اند. در شرایط جریان آب زلال4 نیز لارسون 1956 - ، - 1958 ، بروسرز - 1977 - ،اتما - 1980 - ،جین - 1981 - ،چیو - 1995 - ، ملویل 1998 - ، - 1999 روابط مختلفی را بیان نموده اند.
عموماً مهندسین طراح پل، در طراحی هاي خود به مسائل سازه اي بیشتر از عوامل هیدرولیکی توجه می نمایند. یکی از دلایل این امر را می توان به عدم دسترسی و وجود اطلاعات کافی در زمینه هیدرولیک پل دانست. قسمتی از این مشکل شاید بدلیل مدون نبودن این مبحث و موضوعات آن از قبیل طراحی دیواره هاي هدایت، پیش بینی بالازدگی آب در بالادست پل و یا تخمین آبشستگی و روشهاي کاهش آن باشد. در این تحقیق با استفاده از مدل عددي یک پایه پل استوانهاي شکافدار با مقاطع شکاف مستطیلی ، عرض شکاف به قطر پایه 0.2 - W/D - ، 0.3 و 0.5 و نیز تنگ شونده و باز شونده و t شکل ، مقدار درصد کاهش میزان عمق آبشستگی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفت.
-2 توصیف نرم افزار عددي
نرمافزار Fluent براي مدل کردن جریان سیال و انتقال حرارت در هندسههاي پیچیده است. این نرمافزار امکان تحلیل جریان با شبکههاي ساخت یافته و غیر ساخت یافته براي هندسههاي پیچیده را فراهم میسازد. این نرمافزار با زبان برنامهنویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره میبرد که نتیجتاً استفاده از ساختار مناسب داده ها و اطلاعات و کنترل انعطافپذیر محاسبات را ممکن میسازد. Fluent قابلیت شبیه سازي و مدل کردن موارد زیر را دارا میباشد.
در مرحله اول باید هندسه مدل و در مرحله دوم شبکه مورد نیاز تولید میگردد. نرمافزار Fluent قادر به تولید شبکه نبوده و بایستی از نرمافزارهاي دیگري مانند Gambit، Tgrid، Geo mesh، Prebfc و یا نرمافزارهاي گروه Cad به این منظور استفاده نمود. در تحقیق حاضر از نرمافزار Gambit استفاده شده است. مدلهاي آشفتگی مختلفی در نرمافزارFluent وجود دارد که دو معادله k- ε و k- ω داراي کاربرد فراوان میباشند در تحقیق حاضر از روش k- ε به دلیل به صرفه بودن،کاربرد فراوان در صنعت و دقت حل بالا استفاده شد. براي گسسته سازي معادلات روش VOF بکار رفت. زیرا مدل VOF براي حالتهایی از جریان سیالات که در آنها دو سیال مخلوط نشدنی هستند و سطح تماس آنها داراي اهمیت میباشد طراحی شده است.
