بخشی از مقاله
چکیده
آبشکن ها معمولا برای حفاظت از سواحلی که بوسیله جریان های با سرعت زیاد در معرض تخریب قرار می گیرند و یا برای هدایت جریان به مرکز رودخانه استفاده می شوند. احداث آبشکن در قوس باعث افزایش سرعت و تنش برشی در دماغه آبشکن و ایجاد گردابه هایی در اطراف آن میگردد. در این تحقیق با استفاده از یک مدل سه بعدی به بررسی الگوی جریان حول آبشکن نفوذپذیر در قوس 180 درجه تند پرداخته شده است. جهت شبیه سازی میدان جریان از نرم افزار MIKE3استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که احداث آبشکن در قوس بر روی الگوی جریان و انتقال رسوبات در قوس اثر گذار می باشد.
مقدمه
آبشکن ها معمولا برای حفاظت از سواحلی که بوسیله جریان های با سرعت زیاد در معرض تخریب قرار می گیرند و یا برای هدایت جریان به مرکز رودخانه استفاده می شوند .[1] آبشکن ها بر اساس مصالح ساخت به انواع نفوذپذیر و غیر قابل نفوذ، طبقه بندی می شوند که هر دو نوع جز سازه های حفاظتی قرار می گیرند .آبشکن های نفوذپذیر عمدتا جریان را کند می سازند در صورتی که آبشکن های غیر قابل نفوذ غالبا جریان را از ساحل آسیب پذیر رودخانه منحرف می کنند .. آبشکن های نفوذپذیر بیشتر در رودخانه های آبرفتی با رسوبات معلق بالا کاربرد دارند و عبور آب از خلل و فرج بدنه آبشکن، باعث کاهش فشار آب در سمت بالادست آبشکن می گردد .
در آب شکن های نفوذپذیر جریان های گردابی به گونه ای که در آب شکن های صلب متداول است مشاهده نمی گردند . تحقیقات زیادی درباره الگوی جریان در خم رودخانه ها صورت گرفته است ولی تمام آزمایشات بدون آبشکن بوده است و حتی تحقیقات اندکی که در مورد الگوی جریان اطراف آبشکن ها انجام شده است در مسیر مستقیم کانال و در آزمایشگ اه بوده است . روشهای مختلفی برای ساماندهی رودخانه ها مورد استفاده قرار می گیرند که بسته به نوع رودخانه، مورفولوژی مسیر، شرایط آب و هوایی، اهداف طرح و غیره انتخاب می شوند .[2]
یکی از روشهایی که در این زمینه دارای کاربرد وسیعی بوده، استفاده از آبشکن ها در تثبی ت و ساماندهی سواحل رودخانه هاست . آبشکن ها سازه هایی هستند که در این زمینه دارای کاربرد وسیعی می باشند و معمولا با هدف انحراف جریان از ساحل فرسایش پذیر رودخانه و یا ایجاد مسیر مناسب برای هدایت جریان و کنترل سیلاب و بعضا برقراری عمق لازم برای اهداف کشتیرانی احداث می گردند. همچنین تله اندازی و ترسیب مواد رسوبی و استحصال اراضی حاشیه رودخانه و نقش هدایت کننده آنها در انحراف جریان به سمت دهانه های آبگیر و به ویژه در شق نهر از دیگر اهداف مورد نظر در احداث آبشکنها تلقی می شود.
الگوی پیچیده جریان حول آبشکن در قوس از ترکیب الگوی جریان در قوس و الگوی جریان حول آبشکن حادث می گردد و در رودخانه ها و کانالهای آبرفتی می تواند همراه با حرکت رسوب و تغییرات شکل بستر باشد. شناخت و مطالعه بر روی چنین پدیده ای نیازمند یک سیستم تحلیلی قوی می باشد . مدل های فیزیکی بخاطر هزینه بر بو دن و نیز خطای ایجاد شده در آنها به خاطر اختلاف مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از پدیده های حاکم بر مسایل پیچیده هیدرودینامیکی نمی باشند.
روش های عددی به عنوان یک ابزار بسیار قدرتمند به موازات پیشرفت روز افزون کامپیوتر، در کنار مطالعات فیزیکی می توانند در این مورد کارساز باشند . اولین کار جدی در زمینه الگوی جریان حول آبشکن در قوس رودخانه مربوط به سلاجقه - 1382 - می باشد. ایشان در یک فلوم آزمایشگاهی دارای قوس 180 درجه آزمایشاتی برای بررسی الگوی جریان حول آبشکن انجام داد .
ایشان حالتهای استقرار یک آبشکن و دو آبشکن را برای دبی های مختلف، ابعاد مختلف آبشکن و زوایای مختلف آبشکن آزمایش نموده است. دومین کار مهم در زمینه الگوی جریان حول آبشکن در قوس رودخانه، مربوط به پناهپور - 1383 - می باشد. در تحقیق ذکر شده از یک فلوم آزمایشگاهی با قوس 90 درجه با نسبت R / B 3 ، عرض 0/6 متر و ارتفاع 0/7 متر و طول 5/5 متر با جداره و کف شیشه ای استفاده شده است. آزمایشات در دو حالت بدون آبشکن برای دبی های مختلف، ابعاد مختلف آبشکن و موقعیت های مختلف قرار گیری انجام شد.
مارسن - 2003 - یک مدل سه بعدی جهت تشریح خصوصیات جریا ن اطراف آبشکن ها ارائه نموده است . همچنین وتبرگچ - 2004 - و جیکارا - 2004 - نیز مطالعاتی جامع بر روی تئوری انتقال جرم در میدان آبشکن ها انجام داده اند .[1] در این مقاله با استفاده از مدل عددی دو بعدی MIKE3 به بررسی الگوی جریان حول آبشکن نفوذ پذیر پرداخته شده است.
ناحیه ی مورد بررسی
ناحیه ی مورد بررسی شامل یک قوس 180 درجه تند با نسبت RBC برابر با 2/5 و شیب 0/04 می باشد. شرط مرزی ورودی به ناحیه ی مورد بررسی شامل دبی ثابت و شرط مرزی خروجی شامل سطح آب معرفی شده می باشد . همچنین در بخش انتقال رسوبات از مقدار رسوب معین و ثابت در ورودی و شرط گرادیان تغییرات در جهت عمودی برابر با صفر در مرز خروجی ناحیه ی مورد بررسی استفاده شده است. شکل - 1 - نشان دهنده ی شبکه بندی ایجاد شده در ناحیه ی مورد بررسی در محیط نرم افزار MIKE ZERO Mesh Generation می باشد.
مدل عددی و معادلات حاکم
مدل شبیه سازی عددی MIKE 3 یک مدل جدید در زمینه مدلسازی جریان با شبکه های منعطف 1 می باشد. این مدل برای کاربرد در زمینه های اقیانوس شناسی، مهندسی سواحل و محیط زیست توسعه داده شده است . این مدل عددی از زیر برنامه هایی برای شبیه سازی هیدرودینامیکی جریان2 ، شبیه سازی انتقال3 ، شبیه سازی پدیده های زیست محیطی4 ، شبیه سازی تعقیب ذرات5 ، شبیه سازی جریان گل آلود6 و شبیه سازی انتقال ماسه 7 تشکیل یافته است .[3] مدل شبیه سازی هیدرودینامیکی در واقع جز اصلی مدلسازی در این مدل عددی می باشد که امکان شبیه سازی های دیگر را فراهم می آورد .
مدل شبیه سازی هیدرودینامیکی به حل عددی معادلات RANS 8 با فرض بوزینسک در آشفتگی می پردازد . بنابر این این مدل شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم، درجه حرارت و دانسیته می باشد و با کمک معادلات آشفتگی مجموعه معالات تکمیل می گردد . در این مدل سطح آزاد سیال به کمک روش تبدیل مختصا ت سیگما9 محاسبه می گردد. گسسته سازی معادلات در این نرم افزار به کمک روش حجم محدود در مرکز سلول 10 انجام می گیرد. همچنین در این نرم افزار در جهت افقی از شبکه های ساختار نیافته و در جهت عمودی از شبکه های ساختار یافته استفاده می شود . شکل - 2 - نشان دهنده ی ساختار شبکه بندی سه بعدی در این نرم افزار می باشد.
