بخشی از مقاله
خلاصه
تخمین حد اکثر عمق آبشستگی در اطراف پایههای پل در هنگام طراحی جهت جلوگیری از تخریب آنها پس از اجرا امری ضروری به نظر میرسد. در این پژوهش کارایی مدل سه بعدی SSIIM در مدل کردن الگوی آبشستگی اطراف پایه پل در زمان بهکارگیری آبپایه و تاثیر فاصله آبپایه بر میزان کاهش عمق آبشستگی سنجیده شد. برای این منظور ابتدا مدل عددی با یک مدل آزمایشگاهی با ابعاد کانالی به طول 12 متر، عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر، قطر پایه پل استوانهای شکل 5 سانتیمتر، عمق جریان 10 سانتیمتر، دبی جریان 14 لیتر بر ثانیه، ارتفاع آبپایه 5 سانتیمتر، عرض آبپایه 5 سانتیمتر، ضخامت آبپایه 1 سانتیمتر، سرعت متوسط جریان 0/23 متر بر ثانیه، متوسط ذرات رسوب 0/96 میلیمتر، واسنجی و در ادامه صحتسنجی شد.
سپس نتایج عددی با دادههای آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. حداکثر کاهش عمق آبشستگی در مدل آزمایشگاهی - - % RDP در فاصله تقریبی x - =4/3 فاصله آبپایه از پایه اصلی و b قطر پایه استوانهای شکل - به میزان 51/3 درصدبود که در مدل عددی نیز حداکثر کاهش عمق آبشستگی در همان فاصله نصب آبپایه و به میزان 52/68 درصد بهدست آمد. میزان خطای 1/38 درصد، بیانگر دقت بالا و همخوانی نتایج مدل عددی SSIIM با داده های آزمایشگاهی بود.
همچنین نتایج شبیهسازی عددی آزمایشهای شانزده گانه نصب آبپایه در فاصلههای مختلف 50 - تا 550 میلیمتری - از پایه اصلی نشان داد حداکثر کاهش عمق آبشستگی در فاصله نصب 215 میلیمتری آبپایه به میزان عمق نهایی آبشستگی 56 میلیمتر اتفاق افتاد که در مدل آزمایشگاهی نیز حداکثر کاهش عمق در همین فاصله نصب آبپایه و به عمق نهایی آبشستگی 53 میلیمتر گزارش شده بود. میزان حداقل و حداکثر درصد خطا بینRDP محاسبهای و مشاهدهای %0/09 و %5/72 بهدست آمد. در نتایج آزمایشگاهی در فاصله-های نزدیک و دور از پایه پل، تاثیر نصب آبپایه در کاهش عمق آبشستگی کمتر بوده که نتایج مدل عددی این موضوع را تایید کرد.
مقدمه
در طراحی پایه پل هایی که در مسیر جریان آبراهه قرار می گیرند، عمق بکارگیری فونداسیون در کف آبراهه بر اساس حالت نهایی آبشستگی امری غیر اقتصادی است. لذا شناسایی محل نصب بهینه آبپایه جهت رسیدن به کاهش حداکثری عمق آبشستگی در اطراف پایهها امری ضروری به نظرمیرسدکه به این منظور از شاخص - 1RDPشاخص درصد کاهش عمق آبشستگی - استفاده می شود در این رابطه dp عمق آبشتگی قبل از نصب آبپایه و dsp عمق آبشستگی پس از نصب آبپایه می باشند.
آبشستگی تعادلی زمانی رخ میدهد که عمق آبشستگی تغییر قابل ملاحظه ای با زمان نداشته باشد. ملویل و چیو - - 1999 بیان داشتند چنانچه تغییرات عمق آبشستگی در یک دوره 42 ساعته کمتر از 5 درصد قطر پایه باشد به تعادل رسیده ایم - . - 1 آبشستگی در اطراف پایه پل ها توسط محققین زیادی نظیر لوی و لونا - 1961 - ، شن و همکاران - 1966 - ، چیو و لیم - 2000 - ، ملویل و چیو - 1999 - ، ناگاتا و همکاران - 2005 - ، اولسن و ملاین - - 1993 و رولوند و همکاران - 2005 - مورد بررسی قرار گرفته است 2 - ، 3، 4، 5، 6، 7و . - 8 در این تحقیق از نتایج آزمایشات چیو و لیم - 2003 - ، که اثر آبپایه بر کاهش عمق آبشستگی در اطراف پایه را مورد بررسی قرار داد استفاده شد . - 9 -
اولسن - 2008 - ، از برنامه SSIIM استفاده کرد و به صورت عددی تغییرات زمانی توسعه چاله آبشستگی در اطراف پایه پل استوانه ای را، با به کارگیری دیتاھای تجربی که توسط لینک - 2006 - تهیه شده بود، شبیه سازی نمود . - 10 - طبیب زاده و همکاران - - 1384 جهت اندازه گیری حداکثر عمق آبشستگی اطراف پایه های پل با مقطع دایرهای از مدل عددی SSIIM استفاده نمودند - 11 - ، نتایج مطالعات آن ها بیانگر دقت بسیار بالای مدل عددی SSIIM در محاسبه عمق آبشستگی در شرایط جریان دائمی بود.
بهشتی و آشتیانی - - 1387 عملکرد مدل عددی SSIIM به عنوان یک مدل CFD در مدلسازی جریان پیچیده سه بعدی و آبشستگی ایجاد شده در اطراف فونداسیون پلها، الگوی جریان و همچنین آبشستگی اطراف یگ گروه شمع با فواصل مختلف بین شمع را مدلسازی کردند . - 12 - اسماعیلی و همکاران - - 1388 توانستند آبشستگی موضعی در پایه های پل استوانه ای تحت جریان های غیر دائمی به وسیله نرم افزار SSIIM مدلسازی کنند .
- 13 - صادقیان و همکاران - - 1391 برای شبیه سازی تغییرات بستر در کانال مستقیم به وسیله مدل عددی SSIIM به نتایج قابل قبول و با خطای ناچیزی در مقایسه با نتایج تحلیلی و نتایج عددی هیدرواستاتیک ارائه دادند . - 14 - حاجبی و مفتاح هلقی - 1391 - کاربرد مدل عددی SSIIM در شبیه سازی حفره آبشستگی را مورد بررسی قرار دادند . - 15 -
مواد و روشها
داده ها به قرار زیر می باشد: ابعاد فلوم آزمایشگاهی : طول کانال 12 متر ، عرض و ارتفاع 60 سانتی متر - قطر پایه پل 5 سانتی متر- عمق جریان 10 سانتی متر - دبی جریان 14 لیتر بر ثانیه- ارتفاع آبپایه5 سانتی متر- عرض آبپایه 5 سانتی متر- ضخامت آبپایه 1 سانتی متر- سرعت متوسط جریان 0/23 متر بر ثانیه- متوسط ذرات رسوب 0/96 میلی متر. در تحقیق حاضر نتایج 16 آزمایش با فواصل مختلف آبپایه از پایه اصلی مورد بررسی قرار گرفت در آزمایشھای فوق آبشستگی نهایی پایه قبل از نصب آبپایه وپس از آن - درفواصل 550 -500-450-400-350-300-250-215- 200-175-150-125-110-100-75- 50 میلیمتری - SSIIM شبیه سازی شد و نتایج عددی و آزمایشگاهی جهت صحت سنجی مدل عددی نامبرده مورد مقایسه قرار گرفت.
اولین گام در شبیه سازی عددی هر مسئلهای، تقسیم بندی منطقهی مورد نظر به سلولهایی است که قرار است معادلات حاکم منفصل سازی شده برای تک تک آن ها حل شوند، با توجه به اهمیت پدیده آبشستگی اطراف خود پایه پل، در این تحقیق سعی شد سلول های نزدیک پایههای پل، ریزتر گردند تا بتوان گردابهھای نعل اسبی، جریانهای روبه پایین در جلوی پایه و غیره را به خوبی مدلسازی نمود و همچنین زمان محاسبات را نسبت به حالتی که در کل میدان حل از سلول های ریز استفاده گردد، کاهش داد.
پس از در نظرگرفتن مقادیر مختلف و آزمون حساسیت نسبت به ابعاد شبکه مورد نظر، در فواصل دورتر از پایه پل از سلول های با ابعاد 1/2 در 5/45 سانتیمترودر نواحی مجاور پایه 1/2 در0/7 سانتیمتر و ابعاد مش در منطقه انتهایی کانال 16/9در1/2 سانتیمتر به عنوان مش بهینه انتخاب شد. در شکل 1 جزئیات شبکه حل عددی ساخته شده نشان داده شده است.
از آنجا که حساسیت مدل نسبت به گام زمانی زیاد است، انتخاب گام زمانی مناسب تأثیر زیادی در سرعت و دقت محاسبه دارد و با کاهش گام زمانی دقت انجام محاسبه ها افزایش می یابد. در تحقیق حاضر با در نظر گرفتن t ھای مختلف، گام زمانی مناسب برای مدل کالیبره 5 ثانیه و تعداد تکرار داخلی نیز برای رسیدن به همگرایی مورد نیاز 20 تکرار در نظر گرفته شده است.
