بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله مدل شبیه سازي دوبعدي سیلاب غیردائمی در مخازن سدهاي تأخیري شکافدار ارائه شده است. اینگونه سدها در مناطق کوهستانی براي مهار سیلاب مورد استفاده قرار میگیرند. به دلیل پر شیب بودن آبراهه ها شبیه سازي جریان با مدلهاي موجود ناپایدار بوده، و مدل دوبعدي براي شبیه سازي جریان در مخازن سدهاي شکافدار ارئه نشده است. در این تحقیق معادلات دو بعدي حاکم بر جریان بوسیله الگوي مککورمک حل شده و معادلاتی براي اعمال شرایط مرزي سد شکافدار ارائه شده است. مقایسه نتایج مدل ریاضی با دادههاي حاصل از مدل آزمایشگاهی حاکی از توانایی مدل میباشد.
.1 مقدمه
سدهاي شکافدار1 سدهاي تأخیري هستند که داراي یک یا چند باز شدگی عمودي باریک از پایه سد تا سرریز می باشند. با وجود اینکه سدهاي شکافدار در برخی کشورها براي مهار سیلاب بکار رفته اند، اما بسیاري از جنبههاي عملکردي آنها هنوز ناشناخته میباشد. به دلیل دور بازگشت بالاي سیلابهاي واریزهاي که این سازهها براي آنها طراحی و ساخته می شوند بررسی این سازه ها در شرایط واقعی مشکل میباشد. از دیدگاه هیدرولیکی این سازهها اغلب بر پایه تجربه طراح ساخته می شوند. بنابراین تحلیل دقیقتر رفتار این سازهها براي طراحی بهتر آنها لازم است
جانسون و ریچاردسون - 1989 - سه عامل مهم در طراحی سدهاي تأخیري را ارتفاع سد، فاصله بین شکافها و محل قرار گرفتن سد عنوان داشتند.[2] بنی حبیب و همکاران - 2001 - در تحقیقی به شبیه سازي عددي رسوبگذاري جریانات با غلظت بالا در مخازن تاخیري داراي روزنه بوسیله الگوي مک کورمک2 و الگوي بنی حبیب پرداختند
آرمانینی و لارچر - - 2001 با در نظر گرفتن اتلاف ناشی از جریانات گردابهاي در پشت سد شکافدار به عنوان تابعی از عدد فرود رابطهاي براي محاسبه عرض شکاف سد ارائه نمود.[1] سومریانو و همکاران - 2009 - با استفاده از مدل عددي کانوکا3 جریان واریزهاي را در منطقهاي در اندونزي براي انواع مختلف سد شکافدار، بصورت یک بعدي شبیه سازي نمودند.
لین - - 2009 براي پیش بینی خصوصیات جریان واریزهاي مدلی را ارائه نمود، در این مدل براي حل معادلات غیر خطی از تفاضل محدود الگوي مککورمک استفاده شده است. مدل ارائه شده براي شببیه سازي رفتار دو بعدي مدل فیزیکی و رفتار یک بعدي جریان واریزهاي کاربرد دارد.
شرشتا - 2009 - مدل عددي دو بعدي براي بررسی رسوبگذاري جریانهاي واریزهاي در مخزن سد شکافدار ارائه نمود. در مدل ارئه شده براي حل معادلات مشتقات جزئی از روش لیپ فراگ4 استفاده شده است
سدهاي تأخیري شکافدار در مناطق کوهستانی وآبراهههاي پر رسوب براي مهار سیلاب مورد استفاده قرار میگیرند. به دلیل پر شیب بودن آبراههها شبیه سازي جریان با مدلهاي موجود ناپایدار بوده، و مدلهاي تجاري نظیر HECRAS و MIKE 11 توانایی مدل کردن جریان در آنها را ندارند. بنابراین نه تنها مدل دو بعدي بلکه مدل یک بعدي نیز براي شبیه سازي جریان در مخازن سدهاي شکافدار در آبراهههاي با شیب تند ارائه نشده است. با توجه به اهمیت عمق و سرعت جریان در فرایند رسوب گذاري در این تحقیق به حل عددي معادلات جریان حاکم بر در پشت سدهاي تأخیري پرداخته شده است.
.2 مواد و روشها
1-2 مواد:
مدل فیزیکی استفاده شده در این تحقیق از پنج بخش عمده تشکیل شده است که شامل فلوم شیبپذیر، سد شکافدار، سطح سنجهاي اولتراسونیک، مخزن رسوب و نطقهسنج دیجیتالی میباشد. شکل شماره - - 1 نشان دهنده نماي کلی فلوم مورد استفاده در این آزمایش میباشد.
شکل –1 نماي کلی فلوم [10]
در آزمایش انجام گرفته شده سد شکافدار در فاصله 137/5 سانتیمتري از انتهاي فلوم کار گذاشته شدهاست. شیب فلوم برابر 24/5 درجه، ارتفاع سد 25 سانتمتر، عرض شکاف سد برابر 5 سانتی متر و قطر رسوبات برابر 1 میلیمتر میباشند. سطح سنجهاي اولتراسونیک اول در فاصله 60 سانتیمتري، دومی در فاصله 210 سانتیمتري و سومی در فاصله 410 سانتیمتري از انتهاي فلوم قرار گرفته اند. در این تحقیق از اطلاعات برداشت شده توسط دو سطح- سنج اول و دوم استفاده شده است. این دو سطح- سنج در بالا دست مخزن و پایین دست مخزن قرار گرفتهاند.
نحوه انجام آزمایش ها بدین صورت بوده است، که ابتدا رسوبات با وزن مشخص در مخزن رسوب چیده میشدند. سپس این حجم رسوبات اشباع میشد. بعد مقدار معینی آب روي لایه اشباع قرار میگرفت که در واقع این حجم آب و رسوب سیلاب ما را تشکیل میدادند. فلوم تا ارتفاع مشخص بالا برده میشد تا شیب مورد نظر حاصل شود. در این مرحله دریچه مخزن کنترل به طور ناگهانی باز شده و سیلاب به سمت سد شکافدار حرکت میکند و مقداري از رسوبات پشت سد تجمع پیدا میکنند. حسگرهاي عمقسنج در طول کل آزمایش در هر دهم ثانیه در سه نقطه عمق آب را با دقت دهم میلیمتر اندازهگیري میکنند
از روي عمقهاي ثبت شده توسط دو سطح- سنجهاي اولتراسونیک اول و دوم میتوان دبی عبوري را از رابطه 1 بدست آورد.[11] بنابراین آبنگار سیلاب ورودي وخروجی به مخزن سد مطابق شکلهاي 2و3 میباشند.
در این رابطه Q دبی عبوري از آبراهه متر مکعب بر ثانیه، ، A سطح مقطع جریان متر مربع، φ ضریب بدون بعد سرعت می باشند، که در مورد سیلابهاي واریزهاي این ضریب معمولاً رنجی در حدود 3/81 تا 8 در نظر گرفته می شود و در این تحقیق بر اساس حجم سیلاب معادل 5/6 واسنجی شده است. R شعاع هیدرولیکی، S شیب آبراهه به درصد می باشد.
شکل – 2 آبنگار سیلاب ورودي به مخزن
شکل – 3 آبنگار سیلاب خروجی از مخزن
2-2 روشها:
1-2-2 معادلات حاکم
در این مقاله فرض شده است معادلات حاکم بر جریان در پشت سدهاي شکافدار با انتگرال گیري از معادلات ناویر استوکس براي یک سیال غیر قابل تراکم در عمق بدست میآیند، این معادلات به شکل معادلات دیفرانسیلی جزئی غیر خطی، درجه اول و هذلولی میباشند که بطور تحلیلی قابل حل نیستند. بنابراین براي حل آنها از روشهاي عددي استفاده میشود. معادلات دو بعدي بقاي جرم و اندازه حرکت در فرم حافظ ممنتوم بصورت زیر نوشته میشوند .[12] معادله شماره 2 معادله پیوستگی می باشد و معادلات 3 و4 معادله ممنتوم در راستاي محور x و y هستند.
در معادلات فوق، h عمق آب بر حسب متر، u سرعت در راستاي x بر حسب متر بر ثانیه ، v سرعت در راستاي g شتاب ثقل، zb تراز بستر و bxو byمولفههاي تنش برشی جریان میباشند
