بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیهسازي عددي الگوي جریان غیردائمی در رودخانه با استفاده از مدل CCHE-2D (مطالعه موردي رودخانه چم میرکی)
خلاصه
رودخانهها بهعنوان یکی از مهمترین منابع آبی که بطور مستمر در حال تغییر و تحول هستند، از نقش ممتازي برخوردار میباشند. از این رو شناخت رفتار رودخانهها که تحت تاثیر عواملی نظیر شکل و ساختار رودخانه، هندسه آبراهه، شکل بستر، دبی جریان و ویژگیهاي نیمرخ رودخانه میباشد، از اهمیت خاصی در طرحهاي مهندسی رودخانه، برخوردار است. این تاثیرات در رودخانههاي پیچانرودي (مئاندر) که جریان غیر دائمی در آنها برقرار باشد، از نظر تغییرات سرعت، تنش برشی و رقوم سطح آب، بسیار مهم خواهد بود. در این تحقیق، با انجام مطالعه موردي، الگوي جریان غیرماندگار در رودخانه چم میرکی که جزء رودخانههاي پیچانرودي میباشد، با استفاده از مدل هیدرودینامیکی CCHE-2D بررسی گردیده و تغییرات رفتاري پارامترهاي سرعت، عمق جریان، تنش برشی و غیره، در قوسهاي رودخانه مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفته است.
کلمات کلیدي: رودخانه، جریان غیرماندگار، پیچانرود، مدل .CCHE-2D
.1 مقدمه
رودخانه فرآیندي پویا است و الگوي رفتاري جریان در آن بطور دائم در حال تغییر میباشد. این تغییرات بر روي مشخصههاي ریختشناسی رودخانه تاثیر بسزایی داشته و موجب تحت تاثیر قرار گرفتن شرایط هیدرولیکی جریان در رودخانه میگردد. این موضوع در رودخانههاي پیچانرودي که از خمهاي متعددي تشکیل شده و ممکن است جریان غیرماندگار بر آنها حاکم گردد، تاثیر بیشتري بر جاي مینهد. در چنین جریانی، تغییر در میزان مشخصههاي هیدرولیکی جریان مانند سرعت، دبی، تنش برشی و تغییرات پروفیل سطح آب رودخانه، بخصوص در نواحی خمها بسیار مهم میباشد.
اندرکنش نیروهاي هیدرودینامیکی جریان میتواند منجر به گسترش جریان به سیلابدشتها و فرسایشپذیري کنارههاي رودخانه گردد. از این رو تحلیل هیدرودینامیکی جریان غیرماندگار در پیچانرودها، در طرحی و اجراي طرحهاي مهندسی رودخانه و سیلاب، مؤثر بوده و باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. بدین منظور، استفاده از مدلهاي عددي بدلیل سهولت اجرا، انعطافپذیري بالا در تغییر پارامترهاي جریان و هزینههاي کمتر نسبت به مدلهاي فیزیکی، جایگاه ویژهاي دارند. براي تحلیل جریان در رودخانه، ژانگ (2005) الگوي جریان دائمی در رودخانه میسیسیپی آمریکا را با استفاده از مدل CCHE-2D شبیهسازي نمود و سپس جریان غیرماندگار در رودخانه East Fork آمریکا را مورد بررسی قرار داد .[1] حسن وهمکاران (2006) جریان در رودخانه مودا را مدلسازي نمودند. در کشورمان ایران نیز، حقیقی پور و همکاران (1386) به بررسی تعیین محل آبگیر جانبی در قوس خارجی رودخانه با استفاده از مدل CCHE-2D اقدام نمودند. نجات و همکاران (1387) با استفاده از این مدل، الگوي جریان و رسوب را در بازهاي از رودخانه کارون، با فرض جریان دائمی، شبیهسازي کردند. فروزان و کریمی پاشاکی (1388) در پژوهشی، رفتار جریان غیر دائمی را در بازهاي از رودخانه East Fork ایلات متحده، با استفاده از مدل CCHE-2D بررسی نموده و نقاط فرسایشپذیر قوس رودخانه را مورد تحلیل هیدرولیکی قرار دادند .[2] مغربی و همکاران (1389) الگوي جریان آشفته حول جزیره رسوبی در رودخانه شریانی سرباز را در دبیهاي مختلف مورد بررسی قرار دادند .[3] بهطور کلی، در خصوص شبیهسازي جریان غیرماندگار در رودخانهها با استفاده از مدل CCHE-2D هنوز تحقیقات زیادي صورت نگرفته است و بیشتر مطالعات در این زمینه توسط ژانگ و همکاران وي انجام شده است. در این تحقیق، با بکارگیري روش دینامیک سیالات محاسباتی((CFD و استفاده از مدل عددي CCHE-2D، الگوي جریان غیردائمی در رودخانه چم میرکی که در زمره رودخانههاي پیچانرودي محسوب میگردد ، مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
.2 جریان غیر دائمی در رودخانهها
در جریان غیر دائمی((Unsteady Flow، پارامتر زمان نیز دخالت میکند و تغییرات یک یا تعدادي از مشخصـههـاي جریـان نسـبت بـه زمـان مخالف صفر هستند. در جریان غیر دائمی در آبراههها، مقدار هر یک از دو پارامتر اصلی جریان یعنی عمق و دبی جریان و یا هر دوي آنها با زمان تغییر میکنند. این تغییر میتواند بر اثر عوامل طبیعی، موارد برنامهریزي شده و یا حوادث اتفاقی رخ دهد و از امواج نوسانی و جذر و مدهاي جریان تا سیلاب حاصل از شکست سدها را شامل میگردد. هر جریان غیردائمی در حقیقت عبارت است از حرکت یک موج، که با تغییر مکان خود و بر حسب شرایط، عمق جریان یا دبی و یا هر دو را از مقطعی به مقطع دیگر، و از زمانی به زمان دیگر، تغییر میدهد. جریانهاي غیرماندگار را همانند جریان ماندگار، می- توان به دو دسته متغیر تدریجی و متغیر سریع تقسیمبندي نمود.[4] بعنوان مثال موج سیل، امواج جذر و مـدي و نیـز مـوجهـایی کـه در اثـر بهـرهبـرداري آهسته سازههاي کنترل جریان به وجود میآیند را میتوان جزء جریانهاي غیرماندگار تدریجی طبقهبندي نمود. انواع امـواج ناگهـانی کـه در اثـر بـاز و بسته نمودن ناگهانی سازههاي کنترل جریان، تشکیل میشوند نیز جزء جریان غیرماندگار سریع میباشند .[5]
.3 مدل عددي CCHE 2D
مدل CCHE-2D بسته نرمافزاري یکپارچهاي است که در سال 2005 در مرکز ملی علوم هیدرولیک و مهندسی محاسباتی (NCCHE) توسط آقایان یانگ، جیا و سام، زیر نظر دانشکده فنی دانشگاه میسیسیپی آمریکا تهیه شده است. این مدل جزء مدلهاي هیدرودینامیکی دو بعدي است که براي شبیهسازي و آنالیز هیدرولیک جریان، انتقال رسوب و فرآیندهاي ریختشناسی در جریانهاي با سطح آزاد تولید شده و براي حل میدان جریان از معادلات رینولدز متوسطگیري شده در عمق استفاده میکند .[6] براي مدلسازي جریان آشفته، دو مدل صفر معادلهاي توزیع سهموي و مدل طول اختلاط پرانتل و نیز مدل دو معادلهاي k-ε بکار گرفته میشود. در این مدل شبکهبندي مورد استفاده بهصورت منحنیالخط غیرمتعامد میباشد. این مدل براي دو حالت جریان ماندگار و غیرماندگار قابل استفاده است و از روش المان مؤثر (نوعی از المان محدود) و حجم کنترل براي حل معادلات حاکم و از روش سطوح خشک براي شبیهسازي جریانهاي غیرماندگار و حرکت مرزهاي آن استفاده مینماید .[7] بسته نرمافزاري CCHE-2D از دو بخش مهم تشکیل شده است: مولد مش دو بعدي (CCHE-2D Mesh Generator) و واسط گرافیکی کاربر برنامه .(CCHE-2D GUI) قسمت Mesh Generator به کاربر اجازه میدهد تا شرایط هندسی و سازههاي موجود در طبیعت را به مدل معرفی نموده و اقدام به تولید شبکه ساختار یافته نماید.
سپس با استفاده از قسمت GUI مدل، پارامترهاي هیدرولیکی جریان، رسوب، شرایط مرزي، پارامترهاي لازم براي شبیهسازي و نیز نتایج خروجی از مدل را میتوان مشاهده کرد. شکل (1) نحوه عملکرد مدل CCHE-2D را بصورت شماتیک نشان میدهد.[6]
شکل-1 نحوه عملکرد مدل CCHE-2D
.4 معادلات هیدرودینامیکی حاکم بر میدان جریان
از آنجا که اغلب جریانهاي مجاري باز جزء مسائل آبهاي کم عمق میباشند، بنابراین تاثیر حرکت قائم ذرات آب از اهمیت چندانی برخوردار نبوده و به همین دلیل معادلات دو بعدي متوسطگیري شده در عمق در بیشتر موارد براي شبیهسازي هیدرولیک جریان در رودخانهها از دقت و کارایی مناسبی برخوردار است. معادلات جریان متوسطگیري شده در عمق براي جریانهاي آشفته، در مدل CCHE-2D به صورت زیر می- باشند1]و:[8
-1 معادله پیوستگی
-2 معادله مومنتم
در این معادلات، u وv بترتیب مؤلفههاي سرعت در راستاي x و y ، g شتاب ثقلی، Z تراز سطح آب، ρ چگالی آب، h عمق موضعی جریان آب، fcor ضریب کوریولیس، τxx، τxy، τyx و τtt تنشهاي رینولدزي متوسطگیري شده در عمق و τbx و τby تنشهاي برشی روي بستر میباشند.
در معادلات (2) و (3) تنشهاي رینولدزي را میتوان با استفاده از فرض بوزینسک بصورت زیر برآورد نمود:
در مدل CCHE-2D جهت محاسبه لزجت گردابهاي (νt) ازسه روش مدل سهموي متوسط عمقی، مدل طول اختلاط متوسط عمقـی و مـدل k-ε پیوسته در عمق استفاده میگردد1]و.[7
.5 الگوي جریان در پیچانرود
در بررسی ریختشناسی رودخانهها، میتوان به لحاظ شکل ظاهري، رودخانهها را به سـه دسـته کلـی مسـتقیم، پیچـانرودي و شـریانی تقسـیم نمـود.ایـن تقسیمبندي اولین بار در سال 1957 توسط لئوپولد و لمن و بر اساس دو فاکتور ضریب پیچشی و فاکتور نسبت عرض به عمـق جریـان، صـورت گرفـت.
ضریب پیچشی عبارت است از نسبت طول خطالقعر رودخانه به طول محور آن، در فاصله بین نقاط ابتدا و انتهاي بازه. ضریب پیچشی بزرگتـر از 1/4 تـا 1/5 بیانگر پیچشی بودن رودخانه و مقادیر کمتر از آن به معنی مستقیم بودن رودخانه و بازه مورد نظر میباشد. شکل (2) تقسیمبندي رودخانهها بر حسب ضریب پیچشی را نشان میدهد.[9]
خم (Bend) به انحناء یا تغییر مسیر رودخانه اطلاق میشود که ورود جریان به این قسمت و اعمال نیروي گریز از مرکز، موجـب تغییـر رقـوم سطح آب میگردد.
چم یا پیچاب (Meander)، قسمتی از یک رودخانه میباشد که از دو خم متوالی و معکوس که توسط یک گـذرگـاه((Crossing بـه هـم متصل شدهاند، تشکیل میگردد. یک چم همانند حرف لاتین S میباشد. ویژگیهاي هر چم رودخانه به وسیله مشخصههاي آن مانند طول موج، عرض، شعاع انحناء، دامنه چم و...، تعریف میشود. در شکل (3) پارامترهاي یک چم رودخانه تعریف شده است.[9]
پیچانرودها در پلان، شامل یک سري پیچ و خمهاي متناوب میباشند که توسط بازههاي مستقیم کوتاه به یکدیگر میپیوندند. بر اسـاس معیـار لئوپولد و ولمن، رودخانههاي با ضریب پیچشی بزرگتر از 1/5، پیچانرود محسوب میگردند. یافتههاي این محققین نشان میدهد که در اغلب رودخانـه- هاي پیچانرودي، نسبت شعاع انحناء به عرض رودخانه (ضریب پیچشی) در محدوده 2 تا 3 قرار دارد.[2] جهت و مقدار شعاع انحناء (R) ، در طول مسیر جریان با عرض (W) و سرعت متوسط جریان (V) تغییر میکند. شعاع انحناي حداقل (Rmin) در رأس مئاندر، و شعاع انحناي حداکثر در گـذرگاه رخ میدهد .(R=∞) همچنین لانگلین و لئوپولد، نشان دادند که حداقل شعاع انحناء، براي یک طول موج مشخص مئاندر بهازاي مقدار θm=75œ=1.3rad بهدست میآید .[9] افزایش شعاع انحناء، پس از این نقطه بسیار مهم است زیرا شعاع انحناء، مقدار نیروهاي گریـز از مرکـز را در خـم کنتـرل مـینمایـد.
مشاهدات تجربی نشان میدهد که طول پیچ و خم،تقریباً ده برابر عرض کانال است .[9] (Λ=10 W)
مطالعه موردي
رودخانه میرکی از سرشاخه هاي رودخانه تالوار میباشد که سد قوچم در مختصـات جغرافیـایی21´ و47º طـول شـرقی و26´ و35º عـرض شمالی، در مجاورت روستاي قوچم و در 18 کیلومتري شمال غربی شـهر دهگـلان، در اسـتان کردسـتان، بـر روي آن در دسـت احـداث اسـت. موقعیـت محدوده مورد مطالعهچمِ( میرکی)، در شکل 4، نمایش داده شده است.
.6 مراحل شیبه سازي و حل عددي میدان جریان
این تحقیق، بر روي بازهاي از رودخانه میرکی (محدوده چم میرکی، در مسیر ورودي به مخزن سد قوچم) ، به طول 8500 متر صورت گرفته است.
مراحل عمومی استفاده از مدل CCHE-2D را میتوان بهصورت زیر تقسیمبندي نمود: -1 مش بندي، -2 تنظیم شرایط مرزي جریان، -3 تنظیم پارامترهاي اولیه جریان و یا رسوب، -4 اجراي مدل و -5 تصویري کردن نتایج حاصل از
