بخشی از مقاله
چکیده
زمانی که سانحه شکست سد رخ می دهد، ممکن است راهها، پل ها، سازه ها و پوشش گیاهی به موانعی در برابر جریان تبدیل شوند و نحوه انتشار موج سیلابی را تحت تأثیر قرار دهند. هدف این مقاله بررسی اثر چنین مانعی روی موج حاصل از شکست سد است. به همین منظور شبیه سازی جریان حاصل از شکست سد روی یک بستر افقی و با وجود یک مانع مثلثی که شکل ایده آلی از یک مانع طبیعی است، انجام شده است.
شبیه سازی با روش دو بعدی آب کم عمق و روش سه بعدی انجام شده است. شبیه سازی سه بعدی بر اساس حل کامل مجموعه معادلات میانگین گیری شده رینولدز می باشد که با روش حجم سیال کوپل شده است. در این مقاله برای شبیه سازی سه بعدی از دو کد مرسوم در دینامیک سیالات محاسباتی Fluent و OpenFOAM و برای شبیه سازی دو بعدی آب کم عمق از کد محاسباتی CCHE2D استفاده شده است.
با استفاده از تصاویر محاسبه شده، مراحل مختلف انتشار موج سیلابی شرح داده می شود و در نهایت به منظور صحت سنجی مدل های عددی استفاده شده، نتایج شبیه سازی ها با داده های آزمایشگاهی مقایسه می شوند. نتایج نشان می دهد که روش سه بعدی با داده های آزمایشگای تطابق خوبی دارد اما روش دو بعدی حتی اگر قادر به توصیف مشخصات اصلی جریان باشد، به علت چشم پوشی از جنبه های مربوط به نیروی گرانش، در شبیه سازی جزئیات سه بعدی جریان، توانایی کافی را ندارد.
-1 مقدمه
شکست سد، خرابی جزئی یا عمده یک سد است که سبب آزاد شدن مهار نشده میزان قابل توجهی آب می شود - فرد1، 1993 ، -553 . - 555 سیلابهای شکست سد، به علت حجم زیاد آب و مواد حمل شده توسط آنها، علاوه بر خسارات جانی، مشکلات جدی زیست محیطی را به دنبال دارند و می توانند سبب پخش آلودگی در نایحه پایین دست سد شوند.
کاهش اثرات مخرب شکست سد، نیازمند مدل سازی سیلاب آن با جزئیات دقیق است تا بتوان مراحل پیش روی مکانی و زمانی و همینطور میدان سرعت را در پدیده سیلاب ثبت کرد - جورگنوسون، . - 2004 معمولا بزرگی جریان سیلابی حاصل از شکست، در منطقه ای که سد در آن احداث شده است، از همه سیلاب های پیشین بیشتر است و زمان واکنش برای هشدار به مردم بسیار کمتر از پیش بینی سیلاب های حاصل از بارندگی است.
یکی از مشخصات متمایز سیلاب های شکست سد، بزرگی دبی پیک آنها و مولفه های شتابی به مراتب بزرگتر آنها در مقایسه با هر نوع سیلاب بارشی است که در دره ی محل قرار گیری سد، ایجاد شده است. دیگر مشخصه متمایز کننده سیلاب های حاصل از شکست سد، آن است که دوره زمانی شروع بالا آمدن آب تا رسیدن به مقدار پیک آن، بسیار کوتاه است.
این موضوع بر این دلالت دارد که مدت زمان وقوع سیلاب نیز، کم است. زمان شکست برای بیشتر سدها ممکن است چندین دقیقه باشد و برای سدهای بزرگ امکان دارد به یک ساعت یا بیشتر از آن برسد، به همین دلیل، بررسی پیک سیلاب و زمان رسیدن آن به منطقه مورد نظر از اهمیت بالایی برخوردار است. سدها به دلایل مختلفی دچار شکستگی می شوند و ازین رو ممکن نخواهد بود که از بروز تمامی این شکست ها پیش گیری کنیم، اما این امکان وجود دارد تا بتوانیم تعداد قربانیان را در حادثه فاجعه بار شکست سد، به حداقل برسانیم و با در نظر گرفتن تمهیداتی سبب کاهش پخش آلودگی های زیست محیطی ناشی از جریان سیلابی شکست سد، شویم.
این مسئله تنها زمانی ممکن است که مردم پایین دست سد قبل از آنکه موج سیلابی به مناطق مسکونی برسد، تخلیه شوند و اقدامات ضروری در جهت حذف مواد شیمیایی آلوده کننده محیط زیست، به موقع انجام شود . به منظور کاستن از اثرات فاجعه بار پدیده شکست سد، برنامه اقدامات اضطراری باید توسط داده های حاصل از شبیه سازی های عددی و یا مدل های آزمایشگاهی، تهیه و در دسترس ارگان های مربوطه قرار گیرد.
بوسیله این مدل ها، اطلاعات مربوط به زمان حرکت موج سیلابی و مناطق سیل آب گرفتگی را در حادثه شکست سد، می توان پیش بینی نمود و از آن به عنوان یک راهنما در مدیریت بحران استفاد کرد. بدلیل هزینه بالای مدل سازی پدیده های پیچیده به صورت آزمایشگاهی و همچنین امکان وجود خطاهای آزمایشی، امروزه روش های عددی به عنوان ابزاری سودمند برای انجام مدل سازی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
به همین دلیل به طور معمول، در سال های اخیر مدل های یک و بعدی برای مدل سازی جریان شکست سد استفاده شده اند، اما این مدل ها توانایی کافی برای ثبت مشخصات مکانی جریان بر حسب عمق، سرعت و زمان رسیدن سیلاب و فروکش کردن آن را با جزیئات لازم، ندارند. پیشرفت های سال های اخیر سبب تولید روش های عددی مختلفی شده است که به حل مسئله شکست سد کمک می کنند - فرازائو و همکاران، 2002، . - 956-968
پروژه اقدامات همکاری برای مدل سازی شکست سد CADAM که توسط اتحادیه اروپا راه اندازی شد، به بررسی روش های مخلتف در شبیه سازی و پیش بینی اثرات شکست سد پرداخت - موریس و همکاران، . - 2000 نتایج نشان داد که روش آب کم عمق، به طور معقولی برای نمایش جریان های سطح آزاد تیز مناسب است و نتیجه گیری شد که روش های آب کم عمق با نتایج آزمایشگاهی تطابق خوبی دارند - وانگ و همکاران، . - 2000 مثال های نشان دهنده موفقیت آمیز شبیه سازی جریان های شکست سد توسط روش آب کم عمق در تحقیقات دیگر، موجود است - فراکارولو و همکاران،1995، 843-864، آریکو و همکاران، 2007، - 1253-1271
با این حال، در برخی موارد، این مدل های ریاضی و حل گرهای عددی برای شبیه سازی جزئیات هیدرولیکی مناسب به نظر نمی رسند. شبیه سازی عددی سه بعدی صورت گرفته مانسیولا2 و دمایو3 نشان داد که مدل آب کم عمق، ممکن است سرعت جبهه موج را کمتر از میزان واقعی، پیش بینی کند و همچنین در محاسبه نیمرخ های عمق آب، موفق نباشد.
در گامهای زمانی کوچک بلافاصله پس از شکست سد، در حقیقت جریان به طور عمده تحت تأثیر شتاب عمودی ناشی از گرانش است و به همین دلیل فرض جریان متغیر تدریجی درست نیست. همانطور که توسو4 با بررسی معادلات آب کم عمق، نشان داد که عبارات غیرهیدرواستاتیک سرعت جبهه موج سیلابی را کم می کنند - توسو، . - 2009 ظهور منابع قدرتمند محاسباتی راه برای بسیاری از مسائل مهندسی از جمله دینامیک سیالات محاسباتی، مسائل هیدرولیکی و بخصوص مطالعات جریان های سیلابی را هموارتر کرد.
در این سال ها، چندیدن مدل سه بعدی 5CFD بر اساس مجموعه معادلات کامل ناویر استوکس، برای مباحث مهندسی هیدرولیک بکار گرفته شد، مانند جریان روی سرریز، امواج ناشی از زمین لغزش، و امواج شکست سد و ناشی از پل ها - بیسکارینی و همکاران، .2010 کاگاتای و همکاران، .2011 کاگاتای، . - 2012 در این مقاله، برای شبیه سازی عددی سه بعدی از دو کد محاسباتی قدرتمند در دینامیک سیالات محاسباتی، Fluent و OpenFOAM استفاده شد و به منظور شبیه سازی دو بعدی، کد محاسباتی CCHE2D که یک مدل دو بعدی برای جریان های غیردائمی در کانال های باز است بکار گرفته شد.
