بخشی از مقاله
.1 مقدمه و بررسی منابع
جریانهای چگال به دو گروه اصلی جریانهای پایستار و جریانهای غیرپایستار تقسیم میشوند. در جریانهای غیرپایستار چگالی در جهت عمق متغیر بوده و این گونه جریانها میتوانند رسوبگذار و یا فرسایشی باشند. در جریانهای پایستار همانند جریان حاوی مواد محلول مثل جریان چگالی آب نمک در زیر آب زلال، چگالی در عمق ثابت بوده و فرض میشود که اختلاط از آب محیط و رسوب کف ناچیز باشد.
تقسیمبندیهای دیگری نیز برای جریان چگالی انجام شده است. به عنوان مثال جریانهای دو بعدی، سه بعدی و یا جریانهای دو لایه که عمق سیال بالایی قابل مقایسه با عمق جریان چگال میباشد. توزیع سرعت و غلظت در راستای قائم در جریانهای گلآلود در توزیع رسوبات در جریان نقش مهم و اساسی داشته و لذا بر بسیاری از جنبههای رسوبگذاری تاثیر میگذارند. بطور کلی مطالعه و بررسی جریان های چگال سه مسیر مهم و عمده زیر را دنبال می کند :
- 1 مطالعات میدانی و یا اندازهگیریهای مستقیم
- 2 مطالعات آزمایشگاهی
- 3 شبیهسازیهای عددی و مدلسازی ریاضی
پژوهش در مورد جریانهای گلآلود بواسطه وجود مشکلات مطالعات آنها در طبیعت، محدود میباشد. ممکن است جریانهای گلآلود به سرعت دهها متر در ثانیه و ارتفاع صدها متر برسد[1] و نظارت بر چنین پدیده عظیمی کار آسانی نیست تا آنجایی که حتی برخی جریانها تجهیزاتی را که برای آنها گسترش یافتهاند را تخریب کردهاند. بنابراین بیشتر آنچه در مورد جریانهای گلآلود طبیعی میدانیم - یعنی آنهایی که واقعا بر حسب انتقال رسوب به قسمت عمیق دریا اهمیت دارند - از منابع غیرمستقیم از قبیل گسیختگی کابلهای زیردریایی بدست آمدهاند.
این سه روند در درون یک حلقه قرار دارند و از یکدیگر جدایی ناپذیرند. این موضوع برای این تحقیق نیز صادق است. تحقیق حاضر بر مدل سازی عددی با استفاده از فرآیندهای فیزیکی و همچنین بر شبیهسازی عددی آنها متمرکز است. این روش نه تنها دو روش دیگر پژوهش را تکمیل می کند بلکه هنگامی که زمان ساخت مدلها و صحت سنجی آنها میرسد، به آن نیز متکی است. در اینجا بیشتر به مدلسازی ریاضی و عددی پرداخته شده و به خلاصهای از مطالعات آزمایشگاهی اشاره گردیده شده است.
بخش عمدهای از مطالعات آزمایشگاهی و میدانی توسط حسینی انجام شده است.[1]اصطلاح جریان ثقلی حاوی ذرات، شامل انواع مختلف جریانها میگردد. این جریانها شامل جریانهای واریزهای1، جریانهای دانهای2، بهمنهای برفی 3، جریانهای آتشفشانی4 و جریانهای گلآلود 5 میباشند. این جریانها بواسطه پتانسیل تخریب، قابلیت حمل رسوب و رسوبگذاری، گسیختگی در کابلهای زیر دریا، خطرات ناشی از فعالیت های آتشفشانی و پخش و پراکندگی از اهمیت زیادی در طبیعت برخوردارند.[2]
مدلهای ریاضی تشریحی جریانهای گلآلود تقریبا از اواخر دهه هفتاد ظاهر شدند. این مدلها از معادلات حاکم بر جریان شامل معادلات پیوستگی جرم و ممنتوم برای فازهای جامد و مایع و معادله دیفیوژن که بیانگر بالانس بین نرخ تغییرات رسوبات معلق درحجم کنترلی میباشد، استخراج گردیدهاند ولی به واسطه عدم اطلاع و شناخت بر روی پارامترهای مختلف، همانند ضرایب درون آمیختگی رسوبات، معادلات قابل حل نبودند. تنها جریان هائی که امکان مطالعه و تحقیق در مورد آنها وجود داشت معادلات ساده شده برای جریان های شبه یکنواخت بودند.
پارکر و همکاران یک مدل درون آمیختگی رسوبات را بوجود آوردند. Parker و همکارانش درون آمیختگی رسوبات را برحسب یک ضریب بیبعد درون آمیختگی رسوبات Es تعریف و تعیین کرد.[4] از آنجائیکه اندازهگیری مستقیم جریانهای چگال طبیعی با ریسک بسیار بالائی همراه بوده و بسیار هزینه بر می باشد، بررسیهای تجربی جریانهای گلآلود در آزمایشگاه و آزمایشات در مقیاس کوچک یکی از بهترین ابزارهای مطالعه دینامیک جریانهای چگال است. مقالات متعددی از نحوه حرکت این جریان در زیر آب صاف و اثر متغیرهای مختلف در توزیع سرعت، ارتفاع سیال چگال، میزان درون آمیختگی آب صاف، سرعت پیشروی، شکل زبانهسر، میزان رسوبگذاری، توزیع غلظت و ... موجود است.
سابقه این مقالات به بیش از پنجاه سال پیش میرسد و این امر حکایت از اهمیت و علاقه محققین برای درک و کشف پدیدههای حاکم براین جریان مینماید. جریان در بدنه تقریبا دائمی و یکنواخت است. این وضعیت معمولا هنگامی اتفاق میافتد که دبی پیوستهای از شاره چگال از یک منبع و چشمه - خطی و یا نقطهای - تامین گردد - بعنوان مثال جریان رودخانه هنگامیکه به مخزن وارد می شود - .[5] مطالعات بر روی بدنه جریانهای ثقلی بواسطه محدودیتهای آزمایشگاهی از قدمت کمتری نسبت به مطالعات آزمایشگاهی بر روی پیشانی جریان برخوردار است. اولین تحقیقات آزمایشگاهی بر روی جریانهای ثقلی، با بررسی تجربی پیشانی جریان آغاز گردید. از آن زمان تا کنون مطالعات گستردهای بر روی پیشانی جریان انجام گرفته است. این مطالعات و تحقیقات حول و حوش دو محور اصلی بوده است:[6 ]
-1 بررسی سرعت و فاصله پیشروی جریان و نقش و تاثیر عوامل مختلف بر آن
-2 بررسی نحوه اختلاط و درون آمیختگی در پیشانی
یکی از مشکلات مطالعات آزمایشگاهی مربوط به مقیاس نمودن اندازه ذرات در مسائل مربوط به فرسایش و رسوبگذاری و حمل و انتقال رسوبات میباشد. در مقایسه مدلهای عددی یک روش منطقی جهت پیشبینی انتقال و رسوبگذاری ذرات در مقیاسهای زمانی میباشد که قابل مدل نمودن در آزمایشگاه نمیباشند. استفاده از کامپیوترهای قوی و افزایش قدرت محاسباتی، امروزه تعداد فرضیات مربوط به شرایط مرزی و دینامیکی جریان و ساده نمودن مسائل را تا حدودی کاهش داده است.
ولی همچنان مدلهای عددی به مطالعات آزمایشگاهی مرتبط شده و صحت و سقم آنها منوط به تایید توسط مطالعات آزمایشگاهی میباشد اما کاربردهای عملی مدلهای عددی بواسطه تاثیرات مقیاس و هموژن بودن و مشخص بودن مصالح مورد استفاده جهت آزمایشات بایستی با احتیاط بیشتری انجام پذیرد. بنابراین استفاده از مدلهای عددی میتواند در تکمیل نتایج آزمایشگاهی و استفاده در موارد عملی کمک فراوانی نماید. بر این اساس در این تحقیق از یک مدل عددی - Flow 3D - جهت بررسی رفتار جریانهای گلآلود استفاده شده است.
