بخشی از مقاله
چکیده:
در این مطالعه بخشی از رودخانه کارون در محدوده شهر اهواز توسط نرم افزار SMS ٌبصورت دو بعدی مدل گردیده است. برای اجرایٍ این برنامه رقوم برداشت شده بستر رودخانه در بازه مورد نظر بر پلان منطقه منطبق می گردد و پس از مش بندی و ساختن المانهای مناسب ، بر اساس دبی 100 ساله رودخانه کارون ، تراز سطح آب و سرعت جریان درمقاطع قوسهای موجود بدست آمده است. با توجه باینکه نرم افزار توانایی تصحیح ضریب قوس را دارا می باشد، این امکان را فراهم آورده که سرعت و ارتفاعهای سطح آب را در هر مقطع عرضی در قوس محاسبه نموده و نمودار آنرا نیز ترسیم نماید . هدف مطالعه حاضر بررسی توزیع سرعت و ارتفاع سطح آب در قوسهای این بازه از رودخانه و تطبیق آن با قوانین موجو در این رابطه و همچنین تحلیل منطقی بودن پروفیل طولی سطح آب می باشد.
واژههای کلیدی: رودخانه کارون، مدل 2 بعدی، مش بندی، سرعت، ارتفاع سطح آب، SMS، پیچانرود.
مقدمه:
امروزه مدلهای ریاضی در محاسبات هیدرولیکی کاربردهای فراوانی دارند .مدلهای عددی یک بعدی- دو بعدی و سه بعدی بر اساس مزایا و معایب و بر اساس نوع کاربردی که دارند مورد استفاده قرار میگیرند . در بررسی مشخصات هیدرولیکی رودخانه با توجه به وجود پیچانرودهای فراوان در مسیر رودخانه و با نظر باینکه در قوسها توزیع سرعت یکسان نمی باشد بایستی از مدلهای دو بعدی یا سه بعدی استفاده کرد . چرا که مدل یک بعدی سرعت یکسانی را در طول یک مقطع به ما ارائه میدهد که با واقعیت همخوانی ندارد . در مدلهای سه بعدی با توجه به محدود بودن تعداد المانهای مورد پذیرش در آن برای بازه های طولانی از رودخانه مناسب نمی باشد زیرا مقیاس اضلاع المانها نا متناسب می گردد . بنابراین با توجه به امکانات نرم افزاری و سخت افزاری استفاده از مدل دو بعدی جهت شبیه سازی بازه مورد مطالعه مناسب می باشد.
مواد و روشها:
الگوی جریان در قوس رودخانه
رودخانه های مئاندری طبیعی را میتوان به عنوان یکی از مواردی دانست که جریان آب بسیار پیچیده در آن برقرار است . این پیچیدگی نه فقط به خاطر آشفتگی و طبیعت سه بعدی آن، بلکه به خاطر توپوگرافی و تغییرات عمق آن می باشد . خطوط جریان در چنین میدانی نه تنها خطوط منحنی موازی هم نیستند، بلکه این خطوط را میتوان در هم تنیده انگاشت . قوس رودخانه به خاطر داشتن الگوی خاص جریان بنام جریان حلزونی، همواره مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده است . با ورود جریان به قوس نیروی گریز از مرکز بر آن اثر می کند که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر می باشد. نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب می شود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق می شود.
این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد . هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی، داخل مقطع شکل می گیرد که به جریان ثانویه موسوم است . در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات موجود در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می شوند. در شکل - 1 - الگوی جریان ثانویه نشان داده شده است . اغلب محققان هیدرولیک به وجود جریان های ثانویه در کانالهای باز و سایر مجاری هیدرولیکی اشاره کرده اند . این نوع از جریانها تحت عناوینی از قبیل جریان ثانویه، حرکت ثانویه، چرخش ثانویه، جریان عرضی، چرخش عرضی، جریان مقطعی و ... معرفی شده اند .
همه این نامگذاریها برای تعریف طبیعت سه بعدی جریان در یک کانال باز می باشد.تامپسون در سال 1876 اولین کسی بود که وجود الگوی جریان در کانال انحناء دار را گزارش کرد . - Thompson, 1876 - پرانتدل در سال 1952 این نوع از جریان را تحت عنوان جریان ثانویه نوع اول معرفی کرده است.در اثر اندرکنش جریان ثانویه با پروفیل غیریکنواخت سرعت طولی، الگوی جریان خاصی بنام جریان حلزونی تشکیل می شود که باعث تغییرات زیادی در الگوی جریان قوس نسبت به جریان در کانال مستقیم می شود. جریان ثانویه باعث انتقال جانبی ممنتوم طولی شده و باعث می شود که محل وقوع حداکثر سرعت بطرف دیواره بیرونی منتقل شود. با توجه به این شکل، الگوی جریان حاصله در قوس طوری است که ذرات در سطح آب به طرف دیواره بیرونی منتقل شده و رسوبات بستر بطرف دیواره داخلی جابه جا می شوند.
معرفی نرم افزار SMS
نرم افزار SMS یک مدل شبیه سازی سیستم های رودخانه ای، مخزن، دریا و خور است که توسط بخش هیدرولوژی و آبراهه های ارتش امریکا تدوین شده است . [1] نرم افزار SMS توانایی گرافیکی بالایی دارد و دارای زیرمدلهای - کد کامپیوتری - دو بعدی المان محدود - RMA2,RMA4, FESWMS, SED2D - ، دوبع دی تفاضل محدود - M2D, HIVEL2D - ، سه بعدی المان محدود - RMA10 - و یک بعدی - HEC-RAS - میباشد، که هر کدام با توجه به فیزیک و هندسه مسئله جهت شبیه سازی پدیده خاصی کاربرد دارند . در زیر به طور مختصر به توضیح مدل RMA2 که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته پرداخته خواهد شد.
:RMA2 کد کامپیوتری توسعه داده شده توسط بخش آبراهه های ارتش آمریکا است و قادر به محاسبه تراز سطح آب و سرعت افقی درجریانهای زیربحرانی در هر دو حالت پایدار و ناپایدار می باشد. این برنامه جهت محاسبه تراز سطح آب و توزیع جریان در اطراف جزایر درون رودخانه، جریان حول پایه پل، اتصال دو رودخانه، تنگ شدگی و بازشدگی رودخانه، خروجی نیروگاه برقابی، رودخانه ها، مخازن، جهت محاسبه توزیع سرعت در جهت قائم، مدل توزیع فشار را هیدرواستاتیک فرض می کند. این بدان معنی است که مدل از شتاب عمودی صرفنظر می کند . RMA2 دارای قابلیت های متفاوتی است از جمله:
- استفاده از یک الگوریتم عددی جدید.
- اجازه خشک و تر شدن المانهای مدل در حین حل.
- توانایی شبیه سازی مردابها و تأثیر جزایر درون رودخانه بر خشک و تر شدن المانهای مدل و تغییر المانهای خشک و تر در حالت ناپایدار جریان.
- امکان تعریف ضریب آشفتگی جریان در دو جهت x و .z
- امکان محاسبه اتوماتیک ضریب زبری و ضریب آشفتگی جریان.
- توانایی شبیه سازی همزمان جریانات ثانویه.
- توانایی استفاده در هر دو دستگاه مختصات SI و انگلیسی.
- اطلاعات مورد نیاز جهت اجرای مدل و ساختار برنامه
- اطلاعات هندسی شامل شبکه مناسب، اطلاعات عمقسنجی پیکره آبی.
- ضریب زبری مانینگ و ضریب ویسکوزیته گردابی.
- شرایط مرزی بالادست و پائین دست.
- تعداد تکرارها و درصد خطای مجاز.
پلان مورد مطالعه در محدوده نقطه x= 277398 - و - y= 3462391 و نقطه x=268769 - و - y=3460631 بطول 2.5 کیلومتر از محدوده شهر اهواز می باشد که شامل شش پیچانرود بوده و توسط نرم افزار SMS مدل سازی شده است . بدین منظور از مقاطع عرضی و پلان تهیه شده از معاونت حفاظت و بهره برداری از منایع آب خوزستان استفاده گردید که پس از منطبق کردن ارقام بستر بر پلان رودخانه، شبیه سازی هندسی آن انجام گردیده است. سپس با وارد کردن این اطلاعات در محیط نرم افزار SMS و مش بندی کامل بازه مورد نظر، نرم افزار مدل دو بعدی زیر را ارائه داده است. در مش بندی انجام شده تعداد کل المانها نباید از 10000 و کل گره ها از 30000 تجاوز کند،
