بخشی از مقاله
چکیده
جهت عملیات اجرایی ساماندهی رودخانهها، روش های متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرند که بسته به نوع رودخانه، مورفولوژی مسیر، شرایط آب و هوایی، تاثیر بر زمینهای زراعی اطراف و اهداف طرح و غیره انتخاب میشوند. استفاده از آبشکنها در پایدارسازی و تثبیت کناره رودخانه فرسایش پذیر و ایجاد مسیر مناسب برای هدایت جریان کاربرد فراوانی دارد. فرسایش و رسوبگذاری اطراف آبشکن تابع عوامل مختلفی است که از آن جمله می توان به نوع آبشکن، الگوی جریان اطراف آن، شکل هندسی، میزان حمل رسوب توسط آب و اهداف مهندسی اشاره نمود. در این مقاله الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل به صورت سه بعدی شبیه سازی شده است .
در این بررسی آبشکن L شکل نفوذ ناپذیر، به صورت غیر مستغرق در زوایای 30، 45، 60 ، 75 و 90 درجه از قوس رودخانه قرار داده شد و به منظور شبیه سازی الگو و تلاطم جریان اطراف آبشکن، از بین مدلهای آشفتگی موجود در نرم افزار، از مدل آشفتگی دو معادله ای K استفاده شد. نتایج نشان داد که محل تشکیل گردابه های فرسایش دهنده، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین فرسایش آبی در دماغه آبشکن است و با تغییر موقعیت آبشکن در جهت جریان در زوایای مختلف قوس، در زاویه 75 درجه و 90 درجه به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را دارد.
واژههای کلیدی: آبشکن L شکل، الگوی جریان، دماغه آبشکن، فرسایش آبی، مورفولوژی.
مقدمه
این ساماندهی سواحل رودخانهها یکی از مسائل مهم در مهندسی رودخانه است. ساماندهی رودخانه به مجموعه اقداماتی گفته میشود که برای مهار و تثبیت یک رودخانه در یک مسیر مورد نظر و مناسب انجام میشود و هدایت جریان در مسیر مشخص و مطلوب را تأمین مینماید. فرسایش ساحل رودخانهها در قوس خارجی رودخانهها موجب ایجاد خسارت فراوان به اراضی و تاسیسات ساحلی میشود. آبشکن سازه هیدرولیکی سادهای است که برای ساماندهی رودخانهها در قوس یا مسیر مستقیم استفاده می شود. سابقه کاربرد آبشکن در اصلاح مسیر رودخانه ها، در تثبیت و حفاظت دیواره ها و نیز در توسعه قابلیت ترابری رودخانه ها به قرن 19 بر می گردد.
رودخانه راین در گستره اروپای غربی، رودخانه زرد در چین و رودخانه می سی سی پی در آمریکا نمونه های بارز تجربیات طراحی، ساخت و ارزیابی انواع آبشکن های رودخانه ای هستند. برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت آبشکن نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن بوده تا با توجه به آن، روش مناسب برای تخمین عمق فرسایش، مشخص شود. با وجود مطالعات انجام شده جهت درک هیدرولیک جریان در قوس رودخانه، مطالعه جریان های ثانویه، سرعت های طولی و عرضی، قدرت جریان ثانویه و آشفتگی جریان و پیچیدگی آن، تاکنون کمتر مطالعه ای بر روی الگوی جریان و آبشستگی در اطراف آبشکن سرکج L - شکل - در قوس رودخانه صورت گرفته است.
لذا در این مقاله به بررسی ریاضی اثر زاویه قرارگیری آبشکن L شکل برالگوی جریان و فرسایش، با منظور کردن سه دبی مختلف پرداخته شد. مدل های عددی - - CFD بر اساس ابعاد واقعی عمل نموده و از شرایط خاص جهت تعیین سرعت جریان آشفته و آبشستگی بستر استفاده مینمایند. در این مقاله از نرم افزار Flow-3D که نرم افزاری سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل سازی به صورت دو بعدی و سه بعدی است، استفاده شد.تا کنون تحقیقات زیادی در زمینه الگوی جریان و آبشستگی در قوس رودخانه و اطراف آبشکنها انجام شده است که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می شود. - ین، - 1998، توزیع سرعت در قوس منظم و با مقطع ذوزنقهای را مورد بررسی قرار داد.
مشاهدات ایشان نشان میدهد که حداکثر سرعت با توجه به مشخصههای مدل فیزیکی آنها در کنار دیواره داخلی ورودی رخ میدهد و سپس توزیع سرعت در عمق به سمت یکنواخت شدن میل می کند و در زاویه 60 درجه سرعت حداکثر به طرف قوس خارجی حرکت میکند. - مسجدی و همکاران، - 1386، تاثیر موقعیت قرارگیری آبشکن بر میزان آبشستگی دماغه در موقعیتهای مختلف قرارگیری در قوس 180رودخانه را مورد بررسی قرار دادند و نتایج این آزمایش نشان داد که کمترین میزان آبشستگی دماغه و همینطور حداقل چاله آبشستگی در موقعیت 30 درجه بوجود می آید. - شاهرخی، 1387 - ،
با استفاده از نرم افزار Flow-3D مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن تخت را تهیه و با اعمال مدلهای مختلف آشفتگی، به تاثیر این مدلها بر طول منطقه جداشدگی در پشت یک آبشکن ارائه پرداخت. نتایج نشان می دهد که هر چه طول آبشکن بیشتر باشد، طول منطقه جداشدگی - چرخش - در پشت آبشکن، بزرگتر است. - قدسیان و همکاران، 1387 - ، با انجام یک سری آزمایشات به بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی، پیرامون آبشکن T شکل در قوس 90 درجه پرداختند.
نتایج ایشان نشان میدهد که محدوده سرعتهای ماکزیمم تا زاویه 45 درجه در نزدیکی دیواره داخلی قرار دارد و از 45 درجه به بعد به طرف میانه کانال منحرف میشود. - ژانگ و همکاران، - 2009، جریان متلاطم و الگوی جریان را اطراف آبشکن تخت نفوذناپذیر با استفاده از روش آزمایشگاهی و روش عددی در شرایط آب زلال بررسی نمود. نتایج ایشان نشان داد که مدل آشفتگی K برای شبیهسازی جریانهای متلاطم مناسب است و همچنین جریان نزدیک سطح آب در مجاورت دیواره کانال تشکیل گردابه میدهد و در آنجا باقی میماند، در حالی که باقی جریان با سرعت زیاد به سمت دماغه آبشکن منحرف و به پایین دست منتقل میشود. همچنین جریان میانی به صورت گردابه نعلی شکل به سمت بستر کانال حرکت میکند. - اکبری و همکاران، - 1389،
با انجام مطالعه آزمایشگاهی، تاثیر آبشکن L شکل بر میزان آبشستگی پیرامون آن در قوس 180درجه با - قوس ملایم - را مورد بررسی قرار دادند و با تغییر اندازه جان، اعداد فرود و زاویه آبشکن، اثر آن را بر روی میزان عمق آبشستگی مورد بررسی قرار دادند. ایشان در این بررسی با قرار دادن آبشکن منفرد L شکل - سرکج - در چهار موقعیت با زوایای30، 45، 60و 75 درجه نسبت به جهت جریان در قوس 180 درجه، پدیده آبشستگی حول آبشکن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان داد که میزان حداکثر آبشستگی در زوایه 75 درجه و کمترین عمق آبشستگی در زوایه 30 درجه رخ داد و در زوایای مختلف با افزایش عددفرود، عمق آبشستگی نیز افزایش می یابد.
تئوری تحقیق
رودخانههای 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 است. خطوط جریان در چنین میدانی نه تنها خطوط منحنی موازی هم نیستند، بلکه این خطوط را میتوان در هم تنیده انگاشت. در میان رودخانههای کشور رودخانه کارون رودخانهای است که دارای مئاندرهای زیاد در طول خود است. که این قوسها عمدتاً از نوع 180درجه - ملایم - هستند. با ورود جریان به قوس نیروی گریز از مرکز بر آن اثر میکند. که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر است.
نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب میشود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق میشود. این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. هرگاهگرادیان 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 میشوند. در شکل - - 1 نمونه هایی از قوس های 180 درجه ملایم رودخانه کارون نشان داده شده است.
چنانچه مسیری از کانال یا رودخانه مورد مطالعه قرار بگیرد، در مییابیم که حتی در مسیر مستقیم، دو جریان عرضی مشاهده میشود. در سطح آب سرعت جریان در ناحیه وسط بیش از ناحیه ساحلی است و در نتیجه ذرات آب در ناحیه ساحلی تحت تأثیر ذرات در وسط قرار گرفته و به آن طرف کشیده میشوند ذرات تحتانی دارای حرکتی از وسط به طرف سواحل کناری هستند که این امر در کانالهای فرسایشی باعث فرسایش در کف و جمع شدن رسوبات در نزدیکی سواحل کناری میشود که در شکل - - 2 به صورت شماتیک نشان داده شده است.در مئاندر رودخانه یا به عبارت دیگر در مواردی که رودخانه دارای گردش به راست یا چپ است، ذرات آب که دارای سرعت زیادی هستند، تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز قرار گرفته و به طرف ساحل بیرونی میشتابند.
با توجه به اینکه شتاب گریز از مرکز با مجذور سرعت رابطه مستقیم دارد، این امر برای لایههای پایین آب بسیار کندتر انجام میشود. جریان عرضی در سطح آب با برخورد به ساحل به طرف پایین رفته و جریان عرضی تحتانی را به وجود میآورد. در رودخانهها و کانال های با بستر فرسایشی این عمل باعث فرسایش در ساحل بیرونی و انباشته شدن رسوبات در ساحل داخلی می شود. شرایط جریان در محل قوس با دبی جریان رودخانه تغییرمیکند. لذا محلی که برای دبی جریان های عادی، قوس مناسبی است، احتمالاً در دبی جریان های زیاد، مناسب نباشد. اگر طرح از اهمیت
