بخشی از مقاله
چکیده:
مسئله آبشستگی یکی از مسائل مهم، در مهندسی رودخانه و سواحل میباشد. قرارگیری سازههای مختلف، در مسیر جریانات رودخانهای مستلزم تعبیه پایههایی در این مناطق میباشد. در نتیجه این پایهها همواره در مسیر آبشستگی قرار خواهند داشت. از آنجایی که دقت پیشگویی الگوی آبشستگی، به طور بسیار زیادی به شناخت الگوی جریان اطراف سازه وابسته است، بررسی ها در این زمینه امری ضروری است. در این تحقیق سعی شده است که جریان زیر بحرانی اطراف پایه پل با اشکال مختلف با استفاده از نرمافزار Flow 3D شبیه سازی شود و تغییرات پروفیل سطح آب و تنش برشی و در نتیجه میزان آبشستگی مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
آبشستگی پدیده ای است طبیعی که در نتیجه عمل فرسایش بستر توسط جریان آب و حمل مواد جدا شونده از آن بوسیله این جریان رخ می دهد . این پدیده که باعث فروریختن پلها می شود، بیشتر در مواقع سیلاب که نیاز به استفاده از پلها بیشتر احساس می شود، اتفاق می افتد. دلیل این امر در درجه اول وجود جریان های ناپایدار در موقع سیل و تغییر جهت جریان اصلی رودخانه و در درجه دوم، وجود اجسام شناور و معلق در آن مانند سنگ، چوب و یخ های شناور است که علاوه بر صدمه زدن در پایه های پل، در بعضی مواقع باعث گرفتگی در مقطع سیلابی و افزایش عمق و سرعت جریان می شود.
آبشستگی موضعی در مجاورت پایه ها مهم ترین عامل در تخریب پل ها گزارش شده است بطوریکه طی سی سال گذشته، یکهزار از مجموع پانصد هزار پل ساخته شده بر روی رودخانههای آمریکا تخریب شده است که شصت درصد آنها در اثر آبشستگی موضعی بوده است .[1] از آنجایی که دقت پیشگویی الگوی آبشستگی به طور بسیار زیادی به شناخت الگوی جریان اطراف سازه و حرکت رسوب در محدوده گودال آبشستگی وابسته است، بررسیهای بیشتر بر روی این عوامل مهم برای حصول نتایج بهتر امری ضروری است.
در سالهای اخیر مطالعات آزمایشگاهی فراوانی در زمینه مدلسازی جریان و آبشستگی اطراف پایههای پل توسط پژوهشگران مختلف صورت گرفته است. اغلب مطالعات آزمایشگاهی در زمینه آبشستگی در اطراف پایهها مبتنی بر شرایط ایدهآل سازی شده میباشد. به عنوان مثال بستر صاف، جریان ثابت و... اعمال چنین شرایطی در مدل آزمایشگاهی، در صورتی که بستر رودخانه دارای مورفولوژی پیچیده باشد مشکل خواهد بود. یک فرآیند رضایت بخش جهت بررسی جریان استفاده از مدلهای عددی است. مدلهای عددی سه بعدی متعددی جهت محاسبه جریان در میدانهای با هندسه وجود دارد.
افزایش سرعت پردازش دادهها در رایانهها سبب افزایش جذابیت این مدلها و رغبت محققین در شبیهسازی جریان با مدلهای عددی رایانهای شده است. مدل عددی تیسینگ یک مدل سه بعدی بوده که جریان اطراف یک پایه استوانهای در معرض یکنواخت را با استفاده از روش حجم محدود با حل معادلات جریان سیال با تراکمپذیری ضعیفٌ، شبیهسازی مینماید. حل معادلات مربوطه با روش صریح پیشگویی اصلاح مک کورمکٍ انجام شده است
لِی و چِنگ با ترکیب مدل سه بعدی جریان آبشستگی، توانستند تغییرات بستر و الگوی جریان اطراف پایه پل را شبیهسازی نمایند. مدل - LES - برای مدلسازی آشفتگی و تنش برشی بستر استفاده شده است. برای مدلسازی انتقال رسوب از معادله پیوستگی انتقال رسوب همراه با مدل انتقال رسوب بار بستر ون رایان استفاده شده است. علاوه بر مدل انتقال رسوب ون رایان، تأثیر جریان رو به پایین جلو پایه نیز به واسطه شبیهسازی این جریان با جریان جت رو به پایین در نظر گرفته شده است. در مدل آبشستگی، اثرات شیب بستر از فرآیند آبشستگی اعمال شده است
در این تحقیق جهت بررسی الگوی جریان در اطراف پایه های پل با اشکال مختلف از نرم ا فزار Flow3D استفاده شده است.این نرم افزار معادلات جریان را به روش حجم محدود با الگوی مرکزیت سلول حل می نماید. این نرم افزار مدل های جامعی برای بازه بسیار بزرگی از مسائل،شامل جریان های قابل تراکم و غیر قابل تراکم، آرام و متلاطم ارائه می دهد.مجموعه مفیدی از مدل ها،نظیر مدل های فازی در نرم افزار وجود دارد. این مدل ها می توانند برای تحلیل جریان اسپری ها و مسائلی مانند ورودی های مدل هواپیما و گردبادها بکار برند. همچنین می توان جهت پیش بینی خرابی جت،حرکت مایع پس از شکست سد،کاویتاسیون،رسوب گذاری و جدایش جریان از این نرم افزار بهره برد
-2 معادلات حاکم:
معادله پیوستگی معادله پیوستگی جرم به طور کلی به صورت زیر است:
که در آن، VF نسبت کسر حجمی فضای باز به جریان، دانسیته سیال، RDIF جمله نفوذپذیری آشفتگی و RSOR
برابر مرجع جرم است. اجزاء سرعت u - ، v و - w در جهات x - ، y و - z یا r - ، و - z هستند. Ax، Ay و Az برابر مساحت
کسری محیط به جریان در جهتهای x، y و z میباشند. ضریب R بسته به انتخاب سیستم مختصات، به صورت زیر است. هنگامی که مختصات استوانهای استفاده شود، مشتقات y باید به مشتقات قطبی تبدیل شود:
هنگامیکه از مختصات کارتزین استفاده شود R=1 است. اولین جمله در طرف راست معادله پیوستگی برابر با جمله نفوذ آشفتگی به شرح زیر است:
این گونه از انتقال جرمها در زمینه فرآیندهای آشفتگی اختلاط که یک گرادیان غیریکنواخت دارند، کاربرد دارند.
جمله RSOR در سمت راست معادله پیوستگی جرم، مربوط به دانسیته است که به عنوان مثال برای مدلسازی تزریق جرم از خلل و فرج یک دیواره استفاده میشود.
معادلات مومنتم
معادلات مومنتم برای اجزاء سرعت سیال u - ، v و - w در سه جهت مختصات معادلات ناویر-استوکس با یک سری جمله-های اضافی به شرح زیر هستند: در این معادلات، Gx - ، Gy و - Gz شتابهای بدنه، fu - ، fy و - fz شتابهای لزج، bx - ، by و - bz افت جریان در محیطهای متخلخل و جمله آخر مربوط به تزریق جرم در سرعت صفر است. برای یک لزجت دینامیک، شتابهای لزج عبارتند از:
-3 مدلسازی:
در این بخش الگوی جریان اطراف پایههای پل به صورت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا جهت صحتسنجی مدل پایه با مقطع دایرهای مورد بررسی قرار گرفته، سپس مقایساتی بین مقاطع سایر مقاطع جهت ملایمسازی شکل جریان و کاهش تنش برشی و در نتیجه کاهش آبشستگی انجام شده است.
