بخشی از مقاله
خلاصه
حفاظت رودخانه در برابر فرسایش و تخریب ناشی از جریان آب با استفاده از آبشکنها از جمله روشهاي متداول در مهندسی رودخانه تلقی میشود. آبشکنها با تعدیل شرایط هیدرولیکی و ایجاد جریان آرام، قدرت فرسایشی آب را کاهش داده و زمینه مساعدي براي رسوبگذاري و تثبیت کنارهها فراهم میآورند. در این مطالعه ، به بررسی اثر طول و موقعیت آبشکنها بر الگوي جریان در قوس 90 درجه با استفاده از مدل CCHE2D پرداخته ش ده است.
به منظور صحتسنجی، نتایج مدل عددي با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایج حاصل از شبیهسازي الگوي جریان با نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی نشان دهنده قابلیت بالاي مدل عددي در شبیهسازي الگوي جریان در اطراف آبشکنهاست. همچنین نتایج نشان میدهد که آبشکنهاي داراي طول معادل با 20 درصد عرض آبراهه اصلی داراي عملکرد بهتري است.
1. مقدمه
امروزه محافظت از کناره رودخانه در برابر پدیده فرسایش و تخریب ناشی از جریان آب با استفاده از انواع سازه هاي کنترل جریان از روشهاي متداول در علم مهندسی رودخانه محسوب میگردد. یکی از مهمترین سازه هاي کنترل جریان، آبشکنها هستند .آبشکنها، مبتنی بر ساخت سازههاي متقاطع یا عرضی هستند که از دیواره طبیعی رودخانه با طول و با زاویه مناسبی نسبت به راستاي عمومی جریان توسعه یافته و سبب انحراف حمله جریان از کنارهها و نواحی بحرانی شده و جریان را به سمت محور مرکزي رودخانه هدایت مینمایند.
فضلی و همکاران - - 1388 آبشستگی و الگوي جریان در اطراف دو آبشکن بسته در قوس 90 درجه را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشهاي آنها نشان داد براي حالتی که فاصله آبشکنها کم میباشد 2/5 - برابر طول - تنها یک گردابه در محدوده بین آبشکنها به وجود میآید. اما با افزایش فاصله بین آبشکنها به 5 برابر طول یا بیشتر، دو گردابه مجزا در محدوده بین آبشکنها ایجاد میشود.
حسنینیا و همکاران - 1391 - با استفاده از مدل CCHE2D به بررسی اثرطول بال آبشکن L شکل در قوس 180 درجه بر آبشستگی اطراف آن پرداختند. پارامترهاي متغیر شامل دبی جریان و طول آبشکن بود. نتایج نشان داد که در دبی ثابت با افزایش طول بال آبشکن، آبشستگی بیشینه کاهش مییابد. واقفی و همکاران - - 2012 تاثیر پارامترهاي طول آبشکن، طول بال آبشکن، مکان قرارگیري آبشکن در قوس، شعاع قوس و شدت جریان در اطراف آبشکن T شکل را در کانال قوسی شکل مورد بررسی قرار دادند و معادله جدیدي براي پارامترهاي آبشستگی در اطراف آبشکن T شکل ارائه دادند.
امینی سولا و همکاران - 1394 - به مطالعه آزمایشگاهی تأثیر فاصله و زاویه آبشکنها بر میزان آبشستگی در مجاورت آنها پرداختند. آنها الگوي فرسایش در جلوي آبشکنهاي سري به صورت جاذب - 135 درجه - و دافع - 45 درجه - را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد میزان آبشستگی بستر با عدد فرود جریان نسبت مستقیم دارد و در اکثر آزمایشها بیشترین تغییرات در حدفاصل آبشکنهاي شماره 1 و 2 رخ میدهد و با افزایش فاصله از آبشکن شماره 2 به سمت پاییندست از تغییرات بستر نیز کاسته میشود.
2. مواد و روشها
1-2 معرفی مدل عددي CCHE2D
نرمافزار CCHE2D یک مدل عددي براي شبیهسازي جریان آشفته و انتقال رسوب در کانالهاي باز میباشد که در مرکز بینالمللی علوم هیدرولیک و مهندسی محاسباتی دانشکده می سی سی پی آمریکا تهیه شده و توسعه یافته است. این مدل جزء مدلهاي هیدرودینامیکی دوبعدي بوده که براي حل میدان جریان از معادلات رینولدز متوسط گیري شده در عمق استفاده میکند و براي شبیهسازي جملات انتقال آشفتگی دومدل صفر معادلهاي توزیع سهموي و مدل طول اختلاط لزجت گردابهاي و نیز مدل دو معادله اي k-ε را به کار می برد.
ساخت هندسه و شبکه بندي میدان مطالعاتی در یک نرم افزار مجزاي پیش پردازنده تحت عنوان CCHE-MESH صورت میگیرد و حل میدان جریان و انتقال رسوب و همچنین مشاهده نتایج در محیط گرافیکی نرم افزار CCHE-GUI انجام میشود. معادلات پیوستگی و مومنتم جریان متوسط گیري شده در عمق براي جریان هاي آشفته در دستگاه مختصات کارتزین را می توان به صورت زیر بیان کرد:
در معادلات فوق u و v به ترتیب بیانگر مؤلفههاي سرعت متوسط گیري شده در عمق در راستاي x ، y ، : t زمان، : g شتاب جاذبه، :Z تراز ارتفاعی سطح آب، : ρ دانسیته، : h عمق محلی جریان و : ضریب مربوط به شتاب کوریولیس ، τxx ، τxy ، :τyy ،:τyx تنش هاي رینولدز متوسط گیري شده در عمق و τbx و : τby تنش هاي برشی بستر در راستاي x و y می باشند. مدل آشفتگی انتخاب شده در این نرم افزار نیز مدل k-ε می باشد که بیشترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشت.
2-2 معرفی مدل آزمایشگاهی
قوس به کار رفته در حل عددي این تحقیق بر مبناي یک فلوم قوسی 90 درجه با شیب ملایم است که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز مدلسازي شده است. با توجه به استانداردهاي موجود، آبشکنها با سه طول 15، 20 و 25 درصد عرض فلوم در منطقه فرسایش پذیر قوس بیرونی قرار داده شدند. ارتفاع آبشکنها به گونهاي انتخاب گردید که آبشکنها همواره به صورت غیر مستغرق عمل نمایند. مشخصات مربوط به آبشکنها در جدول - 2 - نشان داده شده است. در این تحقیق، شبیهسازي براي عمق آب برابر با 14سانتی متر و دبی جریان34 لیتر بر ثانیه صورت گرفت.
