بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، مدل عددی دوفازی اویلری به منظور بررسی آبشستگی موضعی پیرامون آبشکن قائم غیر مستغرق و نفوذ ناپذیر - بسته - ، مورد استفاده قرار گرفت. در مدل دوفازی - آب-ماسه - اویلری، معادلات ناویر-استوکس برای هر یک از فازهای آب و ماسه حل و کمیتهای مربوط به آشفتگی جریان در فاز آب، با استفاده از مدل K-ε استاندارد دارای جملات اضافی برای تبادل مومنتوم آشفتگی در سطح مشترک بین دو فاز، محاسبه گردید.
در مدل عددی مورد استفاده، برهم کنش جریان آب با ذرات ماسه، همچنین برهم کنش ذرات ماسه با همدیگر در نظر گرفته شده است. نتایج آزمایشگاهی آبشستگی موضعی در مدل فیزیکی آبشکن قائم، به عنوان معیاری برای واسنجی و صحتسنجی مدل عددی مورد استفاده قرار گرفت. بر اساس نتایج این مطالعه، مقادیر محاسباتی مدل عددی و اندازهگیری شده آزمایشگاهی دارای تطابق مناسبی است.
مقدمه
آبشکنهای رودخانهای، از سازههای مهم ساماندهی رودخانه به شمار میروند که به صورت عرضی از دیواره طبیعی رودخانه با طول و زاویه مناسبی نسبت به راستای عمومی جریان به درون رودخانه توسعه مییابند. امروزه آبشکنهای رودخانهای با اهداف اصلاح مسیر رودخانه، حفاظت از دیوارههای خارجی در پیچ رودخانه، تأمین قابلیت کشتیرانی و احیای محیط زیستابی رودخانه، به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد.
آبشکنها به دو نوع نفوذپذیر - باز - و نفوذناپذیر - بسته - تقسیم میگردند که ساختار و کارکرد هیدرولیکی این دو نوع آبشکن کاملاﹰ متفاوت است. آبشکنهای نفوذپذیر در گروه سازههای آرامکننده به شمار میآیند که باعث کاهش سرعت جریان، کاهش انتقال رسوبات کف، ته نشست مواد رسوبی معلق و جذب مواد شناور میشوند.
آبشکنهای نفوذ ناپذیر در گروه سازههای انحراف دهنده قرار میگیرند که با انحراف مسیر آب از دیوارهها به میانه رودخانه باعث توسعه جریان گردابی در کنارهها میگردند. همچنین آبشکنها بسته به اهداف و شرایط رودخانه ممکن است مستغرق یا غیر مستغرق باشند. عموماﹰ آبشکنهای نفوذناپذیر را به صورت غیر مستغرق طراحی میکنند زیرا جریان عبوری از روی این نوع سازه ممکن است منجر به فرسایش شدید تاج، تخریب احتمالی بدنه آبشکن و یا فرسایش ناحیه رسوبگذاری شده در محدوده حفاظتی آبشکن گردد.
در شرایط کارکرد آبشکن غیرمستغرق و نفوذ ناپذیر منفرد، به دلیل محدود شدن عرض و سطح مقطع جریان در محدوده تأثیر آبشکن، ساختار جنبشی جریان دچار تغییر میشود. با انحراف جریان بالادست به میانه رودخانه، سرعت متوسط و بده واحد عرض در مجرای اصلی افزایش یافته و سبب افزایش گرادیان سرعتها و توسعه گردابهها و جریان تلاطمی شدید در اطراف آبشکن میگردد.
گردابه های ایجاد شده در ناحیه چرخشی با تلاطم شدید پیرامون آبشکن شامل یک جریان چرخشی نیمه نعل اسبی نسبتاﹰ بزرگ با محور افقی در بالادست آبشکن است که به دلیل برگشت آب ایجاد میشود. همچنین در پایین دست آبشکن جریانهای چرخشی دیگری با محور قائم ایجاد میشوند که به گردابهای فون کارمن موسومند و با مکیدن رسوبات به درون حفرههای کمفشار، مشابه گردباد عمل میکنند.
گردابه های ایجاد شده به عنوان مکانیزم اصلی آبشستگی موضعی، باعث توسعه ناحیه آبشستگی در اطراف آبشکن و ته نشست رسوبات به صورت یک بار رسوبی طویل در پایین دست آبشکن و کناره رودخانه و تغییر فرم بستر در بازه پاییندست رودخانه میگردند. توانایی تخمین عمق آبشستگی موضعی پیرامون سازه آبشکن امری ضروری است و عدم توجه به این موضوع ممکن است به شکست سازهای و تحمیل هزینههای اقتصادی زیادی منجر گردد.
آبشستگی موضعی از دیرباز به عنوان یک موضوع تحقیقاتی مرسوم و چالشانگیز، مورد توجه محققین با پیشینههای مختلف بوده و هست. برخی از محققین به تخمین عمق آبشستگی متعادل یا عمق آبشستگی طراحی آبشکن و سازههای مشابه، با استفاده از فرمولهای تجربی یا نیمهتجربی بر اساس دادههای آزمایشگاهی، صحرائی یا هر دو، پرداخته اند
اکثر روابط تجربی تخمین عمق آبشستگی، در شرایط صحرائی و گاهی در شرایط آزمایشگاهی متفاوت با شرایط استخراج آن روابط، برآورد صحیحی از عمق آبشستگی ارائه نمیدهند - صلاحالدین و همکاران ۴۰۰۲ - . علاوه بر آن، شناخت دقیقی از هندسه حفره آبشستگی موجود نبوده و اندرکنش جریان متلاطم با انتقال بار رسوبی بستر در نظر گرفته نمیشده است. بنابراین با توجه به محدودیتهای ذکر شده در مورد روش تجربی تخمین عمق آبشستگی و پیشرفتهای اخیر در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی و استفاده از رایانهها، اخیراﹰ مدلسازی عددی به عنوان ابزاری برای تحقیق در مورد جریان و آبشستگی پیرامون آبشکنها و سازههای مشابه آن مانند تکیهگاهها و پایههای پل، توجه محققین را به سوی خود معطوف نموده است
در این مطالعه، مدل عددی دوفازی - آب-ماسه - اویلری موجود در نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت برای شبیهسازی آبشستگی موضعی پیرامون یک آبشکن قائم مورد استفاده قرار گرفت. هدف این مطالعه، واسنجی و صحتسنجی مدل عددی دوفازی اویلری از طریق مقایسه نتایج محاسباتی آبشستگی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از مدل فیزیکی متناظر است. در فرمولبندی مدل عددی دوفازی اویلری بر هم کنش جریان و ذرات ماسه همچنین برهم کنش ذرات ماسه با همدیگر مد نظر قرار گرفت.
در این مدل هر یک از فازهای آب و ماسه با استفاده معادلات اصلاح شده ناویر-استوکس بیان و کوپلینگ بین فازها از طریق فشار و ضریب تبادل مومنتوم بین فازی تأمین گردید. اثرات برخورد غیرالاستیک ذرات جامد - ماسه - با یکدیگر مد نظر قرار گرفت. همچنین از یک ویسکوزیته اصطکاکی بدست آمده از تئوری پتانسیل پلاستیک برای در نظر گرفتن اثرات اصطکاک بین دانهای در بسترهای متراکم استفاده گردید.
اکثر مطالعات عددی پیشین بر پایه فرمولهای انتقال رسوب تجربی موجود، استوار بوده و واضح است که تاکنون یک فرمول جهانی قابل قبول برای تخمین دقیق میزان انتقال رسوب برای تمام شرایط محتمل ارائه نشده است. لذا نتایج مدلهای پیشین به انتخاب نوع فرمول تجربی وابسته است. ویژگی حائز اهمیت مدل عددی دوفازی اویلری، عدم نیاز آن به انتخاب و بکارگیری فرمول تجربی انتقال رسوب است زیرا محاسبه انتقال رسوبات بر اساس مکانیک اندرکنش جریان اصلی با ذرات رسوبی و از طریق معادلات دینامیکی انجام میشود.
مدل آزمایشگاهی
آبشستگی موضعی پیرامون آبشکن منفرد مستقر در کناره فلومی به طول ۸ متر، عرض ۵/۰ متر، ارتفاع ۳/۰ متر و شیب ۴۰۰۰ /۰ به طور آزمایشگاهی مورد بررسی و اندازهگیری قرار گرفت. سازه آبشکن به طول ۰۱ سانتیمتر، عرض ۱ سانتیمتر به طور غیر مستغرق و هم ارتفاع با عمق فلوم در فاصله ۳ متری از ورودی فلوم نصب گردید. بستر فلوم با لایهای از ماسه با قطر متوسط mm ۳/۱d50= و انحراف معیار هندسی ۴۲/۱σg= به ضخامت ۵۱ سانتیمتر پوشیده شده و آزمایش تحت شرایط آب زلال انجام شد.
آبشستگی آب زلال زمانی ایجاد می-شود که سرعت متوسط جریان از سرعت متوسط بحرانی برای آستانه حرکت ذرات رسوبی بستر کوچکتر باشد. بنابراین دبی جریان برابر ۷ لیتر بر ثانیه و عمق جریان برابر ۵ سانتیمتر تنظیم گردید. برای اندازهگیری و ثبت عمق آبشستگی موضعی ایجاد شده پیرامون آبشکن از یک عمق سنج لیزری با دقت ۱/۰ میلیمتر و برای اندازهگیری تغییرات زمانی عمق آبشستگی از یک سرعت سنج داپلر صوتی استفاده شد.
مدل عددی
مدل عددی دوفازی اویلری مورد استفاده در این مطالعه جهت شبیهسازی آبشستگی موضعی پیرامون آبشکن قائم، قسمتی از نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت است که در آن، از سیال آب به عنوان فاز اولیه و از ماسه به قطر متوسط ٣/١ میلیمتر به عنوان فاز ثانویه استفاده شده است. فضای اشغال شده توسط هر یک از فازها با استفاده از کسر حجمی 0≤α≤1 مشخص میشود. در روش دوفازی اویلری معادلات بقا - جرم و مومنتوم - برای هر یک از فازها حل میگردد. هر یک از دو فاز آب و ماسه دارای محیط و رفتار مجزا بوده ولی در عین حال قابلیت نفوذ در یکدیگر را نیز دارند. در این مدل تبادل مومنتوم بین دو فاز از طریق جملات تبادل بین فازی در نظر گرفته می-شود.
در معادلات اخیر w و s سرعتهای متوسط جریان برای آب و ماسه، p تانسور تنش برای فاز آب و فاز ماسه ، g بردار شتاب ثقل و Ks,w Kw,s ضریب تبادل بین فازی میباشند. جزئیات بیشتر در رابطه با پارامترهای اخیر در مرجع]۹ - FLUENT 6.3 User’s Guide 2006 - [ آورده شده است.
فرم عمومی ضریب تبادل مومنتوم بین فازها که با Ks,w - Kw,s - نشان داده شده است
مدلهای ضریب تبادل مختلف، f به صورتهای متفاوت تعریف شده است. تمامی تعاریف مربوط به f شامل تابع دراگ CD میشودکه بر اساس عدد رینولدز نسبی بیان میگردد. در این مطالعه از تابع دراگ زیر که بر اساس اندازهگیری سرعت پایانه ذرات در بسترهای آبگونه یا ته نشینی همراه با همبستگیهایی که خود تابعی از کسر حجمی و عدد رینولدز نسبی هستند، استفاده میشود
