بخشی از مقاله
خلاصه
برای تنظیم میدان جریان و جلوگیری از فرسایش دیواره و کف رودخانه ها استفاده از موانع میله ای باز در مسیر جریان رودخانه روش متداول و رایجی است. این سازههای هیدرولیکی برای ساماندهی ساحل رودخانه نیز استفاده میشوند به همین دلیل آنالیز جریان و شناخت الگوی جریان در اطراف آنها از اهمیت زیادی برخوردار است. برخلاف تحقیقات آزمایشگاهی، تحقیقات عددی در این زمینه بسیار کم و معدود است؛ بهعلاوه بررسیهای متعدد روابط تجربی موجود نشان میدهد که بیشتر روابط ارائه شده برای دادههای آزمایشگاهی، خطای بسیار زیادی دارند.
در این مقاله با استفاده از شبیهسازی عددی و بهرهگیری از نرمافزار Flow-3D آبشستگی در اطراف موانع میلهای تکردیفه شبیهسازی شده و نتایج آن با داده-های آزمایشگاهی مقایسه شده است. در این شبیهسازی از مدل آشفتگی RNG استفاده شده است و نتایج نشان دهنده انطباق نسبتا خوب نتایج شبیه سازی عددی میدان جریان در اطراف موانع میلهای باز یک ردیفه با نتایج آزمایشگاهی میباشد.
.1 مقدمه
فرسایش بستر و سواحل رودخانه و انتقال رسوب یکی از دلایل مهاجرت و تغییرات مورفولوژی رودخانهای است. آبشکنها جهت هدایت جریان در امتداد مسیر اصلی آبراهه و حفاظت سواحل در برابر فرسایش به کار میروند. آبشکنها از جمله سازههای هیدرولیکی هستند که با هدف انحراف جریان از ساحل فرسایشپذیر رودخانه احداث میگردند. احداث آبشکنها منجر به ایجاد تغییراتی در الگوی جریان میشود که مهمترین تبعات آن پدیده آبشستگی موضعی در اطراف آبشکن میباشد که ایمنی سازه را به خطر میاندازد.
این سازهها به طور عمودی یا با کمی زاویه نسبت به ساحل بر روی رودخانهها ساخته میشوند. برای فهم بهتر مکانیسم آبشستگی در اطراف این سازههای رودخانهای، مطالعه الگوی جریان و تغییرات سرعت در اطراف آن مورد توجه است. همچنین با توجه به پیچیدگی مسائل مطرح در مهندسی رودخانه و نیاز به تحلیل سه بعدی جریان و رسوب در آنها، استفاده از مدلهای عددی برای شبیهسازی جریان و رسوب امری اجتنابناپذیر میباشد.
تحقیقات مختلفی بصورت عددی و آزمایشگاهی در خصوص الگوی جریان حول آبشکن ها انجام شده است. ماهسواران و تینگاچالی - 1990 - از یک مدل متوسط گیری شده در عمق به صورت دو بعدی استفاده کردند و به اصلاح ضرایب مربوط در مدل عددی − سه بعدی به دلیل انحناء خطوط جریان در قوس اطراف آبشکن به منظور بهبود محاسبات تنش های کف پرداختند و به این نتیجه رسیدند که این ضریب اثر بسیار زیادی بر میزان سرعت جریان دارد در حالیکه بر تنش برشی ماکزیمم در دماغه آب شکن تاثیر قابل توجهی ندارد.
سلیمان و همکاران - 1997 - بررسی آزمایشگاهی و عددی تاثیر آبشکن بر روی مورفولوژی قوسهای رودخانه نیل پرداختند و یک مدل دو بعدی در خصوص تاثیر آب شکن ومولفه های سرعت ارائه نمودند.[3] پنگ و همکاران - 1997 - با ارائه یک مدل سهبعدی عددی به این نتیجه رسیدند که این مدل، الگوی جریان و ویژگی های مهم جریان سه بعدی پشت آبشکن در مسیر مستقیم را به خوبی نشان میدهد. آنها گزارش کردند که اندازه گردابه در پشت یک آبشکن بهطور تدریجی با نزدیک شدن بهسمت بالای آبشکن کم میشود.
موقعیت مرکز گردابه در جهت قائم متغیر است و از انتهای آبشکن و در بستر بهسمت دیواره و نزدیک به سطح آب حرکت میکند.[4] تومیناگا و همکاران - 2001 - به مقایسه سرعت همراستا با جریان حول آبشکنهای مستغرق و غیر مستغرق پرداختند.
فرسیو و صباغ یزدی - 1382 - جریان در اطراف آبشکن را به صورت دوبعدی و به روش حجم محدود بررسی کردند.[6] حسنی - 1380 - الگوی جریان در اطراف آبشکن قائم را با استفاده از مدلهای فیزیکی و عددی به صورت دوبعدی مورد بررسی قرار داد. وی در مدل عددی خود مدلهای k- و LSE را به کار برد و نتایج آنها را با مدل تجربی مقایسه کرد.
در سال 2011 آچاریا، با استفاده از نرمافزار Flow-3D به بررسی سری آبشکنهای قائم و زاویهدار و تحلیل مدلهای آشفتگی جریان و بررسی دقت آنها در برآورد توزیعهای سرعت و آبشستگی موضعی اطراف آبشکنها پرداخت.[8] واقفی و همکاران - 2012 - آبشستگی اطراف آبشکن T شکل در کانال قوسی را مورد آزمایش قرار دادند .در این مقاله به مطالعه عددی الگوی جریان و پروفیلهای سهبعدی سرعت پیرامون آبشکنهای T شکل مستقر در موقعیتهای مختلف قوس 90 درجه پرداخته شده است.
واقفی و همکاران - 2014 - ، بهصورت عددی اثر عدد فرود و درصد استغراق بر الگوی جریان پیرامون آبشکن T شکل مستقر در قوس 90 درجه را با استفاده از نرمافزار Flow-3D بررسی نموده و نتیجه گرفتند که با افزایش عدد فرود در پاییندست آبشکن، فاصله جریانهای بازگشتی از جان آبشکن حدود 10 درصد بیشتر شده، و همچنین در نزدیکی دیواره داخلی با افزایش استغراق آبشکن، سرعت طولی به نصف سرعت اولیه کاهش مییابد.
بر خلاف تحقیقات آزمایشگاهی، تحقیقات عددی در این زمینه بسیار کم و معدود است؛ بهعلاوه بررسیهای متعدد روابط تجربی موجود نشان میدهد که بیشتر روابط ارائه شده برای دادههای آزمایشگاهی، خطای بسیار زیادی دارند. یکی دیگر از معایب روشهای تجربی ارائه شده، تناسب نداشتن شرایط آزمایشگاهی با مقیاس طبیعی مساله است، زیرا روابط ارائه شده همگی از دادههای آزمایشگاهی استخراج شده و قطعا تبدیل این شرایط به شرایط موجود در طبیعت، خطاهایی را در تخمین حداکثر عمق آبشستگی بوجود خواهند آورد.
این مشکل در روشهای عددی به چشم نمیخورد. با در نظر گرفتن مطالب بالا و با توجه به تعداد کم تحقیقات انجام شده به روش عددی در حالت سهبعدی، لزوم تحقیق در حالت سهبعدی شبیهسازی عددی موانع جریان به چشم میخورد. هدف از شبیهسازی عددی سهبعدی الگوی جریان و رسوب در اطراف آبشکن، بررسی الگوی جریان طولی، جریانهای ثانویه در مقاطع عرضی کانال و نیز تغییرات بستر حول آبشکن است. جهت صحتسنجی نتایج حاصل از مدل عددی از دادههای آزمایشگاهی برداشت شده توسط - پزین، [1] - 1395 استفاده میشود.
.2 مواد و روشها
2-1 تجهیزات آزمایشگاهی و آزمایشهای انجام شده
به منظور مطالعه و بررسی عملکرد آبشکنها، از نتایج آزمایشگاهی ارائه شده توسط پزین - 1395 - که در فلوم موجود در دانشکده مهندسی دانشگاه بوعلی سینا انجام شده، استفاده شده است. فلوم آزمایشگاهی مورد نظر، یک فلوم بتنی به طول 15 متر، ارتفاع 0.6 متر و عرض 0.6 متر با دیوارههای شفاف از جنس شیشه 10 میلیمتری و پمپ با ظرفیت آبدهی 370-190 متر مکعب در ثانیه است. بهطوریکه الگوی جریان و نحوه شسته شدن مصالح بستر قابل رویت است.
جهت بررسی پارامترهای مورد نظر در این پژوهش، نیاز به داشتن بستری از جنس ماسه با دانهبندی مشخص و ایجاد تغییراتی در کف فلوم بود، بههمین منظور کفسازی فلوم قبل از ناحیه فرسایشپذیر به طول 5.5 متر و بعد از این ناحیه به طول 3.6 متر تعبیه شد و از ذرات رسوبی با اندازه 1.55 میلیمتر جهت انجام آزمایشها پر شد. در این مقاله از نتایج آزمایش با درصد بازشدگی 50 درصد استفاده شده است. آبشکنهای مورد استفاده در این آزمایش به طول 12 سانتیمتر و ضخامت 6 میلیمتر و زاویه بین آبشکن و دیواره فلوم 90 درجه بوده است.
آزمایشها با جریان با دبی 28 لیتر بر ثانیه و زمان تعادل 9 ساعت انجام شد و پس از اتمام آزمایش الگوی آبشستگی و رسوبگذاری ناشی از انتقال ذرات شسته شده در اطراف آبشکن اندازهگیری شده است. در انجام آزمایشها برای تعیین سرعت جریان از دستگاه سرعتسنج استفاده شده است. در شکل - 1 - پلان و مقطع فلوم آزمایشگاهی قابل مشاهده است. آبشکنهای مورد استفاده در این پژوهش، از نوع میلهای و ساخته شده از میلگردهایی به قطر 6 میلیمتر میباشد. آبشکنها بهصورت یک ردیفه و به فاصله 6 میلیمتر از یکدیگر ساخته شدهاند.
شکل .1 پلان و مقطع فلوم آزمایشگاهی
2-2 معرفی مدل عددی Flow-3D و معادلات حاکم
نرمافزار Flow-3D، معادلات سهبعدی ناویر استوکس را روی شبکه محاسباتی منتظم و غیریکنواخت حل میکند و توانایی مدل کردن مسائل جریان-های سطح آزاد و نمایش نتایج با قدرت گرافیکی بالا را دارا میباشد. معادلات حاکم بر جریان تراکم ناپذیر سیال، قانون بقای جرم رابطه - 1 - و معادله مومنتوم متوسطگیری شده زمانی رابطه - 2 - میباشد.
