بخشی از مقاله
چکیده
آبشستگی و انتقال رسوب از پدیدههای مهم مرتبط با رودخانه میباشد که معادلات عددی مختلفی بر پایه مشاهدات تجربی و آزمایشگاهی در این مورد ارائه شده است. در پژوهش حاضر به بررسی عملکرد معادلات انتقال رسوب در مسیر رودخانه با وجود پایه پل استوانهای پرداختهشده است .
از این راستا از دادههای آزمایشگاهی تغییرات بستر پیرامون پایه پل استوانهای که توسط Oliveto و Hager در سال 2002 انجام گردید استفاده شده و تغییرات بستر، خطوط افقی و عمودی جریان، پروفیل عمودی سرعت، حداکثر عمق آبشستگی و کانتور تغییرات فشار حول پایه پل استوانهای مدلسازی شده و با نتایج آزمایشگاهی موجود صحتسنجی گردیده است.
جهت این شبیه سازی از معادلات شن و هانگ، فان-راین و یانگ در محیط نرم افزاری SSIIM 2.0 بهره برده شده است. بررسی دقت مدلهای آشفتگی در نتایج عددی نشان داد که مدل آشفتگی RNG ، نتایج نزدیکتری با دادههای آزمایشگاهی دارد
همچنین نتایج بدست آمده از شبیهسازی میدان حل با استفاده از معادلات انتقال رسوب مختلف نشان داد که معادله فان راین توانایی بهتری در پیشبینی حداکثر عمق آبشستگی، خطوط افقی و عمودی جریان، پروفیل عمودی سرعت و کانتور تغییرات فشار حول پایه پل را دارا میباشد اما معادله یانگ و شن هانگ عملکرد مناسبی از خود نشان نداده و قادر به شبیهسازی صحیح انتقال رسوب نمیباشند، لذا برای شبیهسازی در پدیده انتقال رسوب و آبشستگی حول پایه پلها پیشنهاد نمیشوند.
.1 مقدمه
مهندسی رودخانه به مراحل مختلف برنامه ریزی، مطالعه، طراحی، اجرا و بهره برداری از عملیات مختلفی اطلاق میشود که بهمنظور بهبود وضعیت رودخانه و استفاده بهتر از آن انجام می گیرد. در مهندسی رودخانه، تأمین اهدافی از قبیل کنترل فرسایش برای حفاظت کنارهها و تثبیت بستر، کنترل سیل، کنترل آب شستگی موضعی، بررسی انتقال رسوب، کنترل مسیر رودخانه، کنترل کیفیت آب، توسعه حمل و نقل رودخانه ای و ... انجام میگردد. انتقال رسوب یکی از پدیدههای مهم مرتبط با رودخانه میباشد که معادلات عددی مختلفی بر پایه مشاهدات تجربی و آزمایشگاهی در این مورد ارائه شده است.
به فرسایش بستر و کناره آبراههها در پائین دست سازههای هیدرولیکی به دلیل شدت جریان زیاد و یا در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی آبشستگی اطلاق میگردد
عموماً پدیده آبشستگی هر جا که افزایش گرادیان سرعت روی دهد بوقوع میپیوندد. افزایش گرادیان سرعت میتواند ناشی از کاهش سطح مقطع جریان - چه در صورت تنگ شدگی مقطع و چه در حالت بالا آمدن کف در جریانهای زیر بحرانی - و یا همچنین وجود موانع مانند پایههای پل، سازه های انحراف آب، خاکریزهای تقریب پل و ... باشد
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد آن را به دو نوع عمومی و موضعی تقسیم میکنند. آبشستگی عمومی در محل هائی رخ می دهد که سرعت جریان افزایش یابد اما آبشستگی موضعی در پائین دست سازههای هیدرولیکی و در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم بهطور موضعی افزایش یابد، بوجود میآید
پینتو و همکاران - 2006 - ضعف و محدودیت های چهار فرمول ایکرز و وایت ، انگلاند و هانسن ، فان- راین و کریم و کندی برای بار کل و فرمول فان -راین برای بار بستر را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که مهمترین ویژگیهای فیزیکی که کنترل کننده برآورد بار رسوبی هستند شامل سرعت جریان و متوسط اندازه دانهها است و فرمول فان-راین در این تحقیق به عنوان بهترین فرمول در استفاده از معادلات انتقال رسوب پیشنهاد گردیده است
مارتین - 2003 - با مقایسه قابلیت تخمین فرمول میر- پیتر و مولر و فرمول اصلی بگنولد و سری اصلاح شده بگنولد که توسط مارتین و چرچ - Martin and Church - در سال 1995 ارائه شده بر روی رودخانه Vedder بریتیش کلمبیا دریافت که فرمول میر -پیتر و مولر نسبت به سری فرمولهای بگنولد در مقابل دبی جریان حساس تر است و میزان بار محاسبه شده توسط گروه فرمولهای بگنولد و میر -پیتر و مولر کمتر از مقدار مشاهداتی - داده های صحرایی - است
گامبینو - 1998 - در مطالعه ای به بررسی عمکرد سه معادله انتقال رسوب ایکر و وایت، بیلورد و مدسن پرداخت. آنالیز معادلات نشان دهنده این بود که فرمول مدسن و ایکر وایت بهترین همخوانی را با دادههای آزمایشگاهی از خود نشان میدهند
حسنزاده - 1389 - در مطالعه رسوبشناسی و تخمین آورد رسوبات رودخانه کرخه با مطالعه معادلات انتقال رسوب مختلف که شامل فرمولهای رایج فان راین، یانگ، ایکرز و وایت، انگلاند و هانسن و بگنولد بودند به بررسی رسوب شناسی محدوده ای از رودخانه کرخه پرداخت و به محاسبه تعیین بار کل، معلق و بستر رسوبات رودخانه کرخه اهتمام ورزید و صحت و دقت معادلات با استفاده از 90 سری داده صحرایی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان دهنده این بود که روش یانگ از میزان متوسط خطای کمتری نسبت به سایر روشها برخوردار است
در مطالعه حاضر جهت بررسی آبشستگی و عملکرد معادلات انتقال رسوب با وجود پایه پل استوانهای در مسیر رودخانه از مدل عددی سه بعدی SSIIM 2.0 بهرهبرده شده و با نتایج دادههای آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفته است. جهت صحت سنجی نتایج عددی از مطالعات آزمایشگاهی تغییرات بستر پیرامون پایه پل استوانهای که توسط Oliveto و Hager در سال 2002 با یک سری آزمایش برای پایههای استوانهای شکل با قطرهای 2 الی 50 سانتی متر انجام شده بهره برده برده شده است و تأثیر معادلات انتقال رسوب مختلف بر تغییرات بستر اطراف این سازهها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. جهت این شبیه سازی از معادلات شن و هانگ، فان-راین و یانگ در محیط نرم افزاریSSIIM 2.0 بهره برده شده و تغییرات بستر، خطوط افقی و عمودی جریان، پروفیل عمودی سرعت و کانتور تغییرات فشار حول پایه پل استوانهای مدلسازی شده و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است.
.2 مواد و روشها
در شبیهسازی انتقال رسوب در رودخانهها از معادلات ناویر - استوکس بهره برده میشود. این معادلات بر پایه تعادل نیروها در یک حجم کنترل از سیال استوار بوده ودر جریان آشفته معمولاٌ از مقادیر متوسطگیری شده زمانی رینولدز استفاده میگردد. معادلات اصلی برای حل جریان، معادلات پیوستگی و مومنتوم میباشد. به عبارت دیگر قوانین فیزیکی که جریان آب را در رودخانه را بیان می کنند، عبارتند از .1 اصل بقای جرم - پیوستگی - ، .2 اصل بقای مومنتم. این قوانین به صورت معادلات دیفرانسیل جزئی بیان می شوند.
.1-2 معادله پیوستگی
معادلات جریان آشفته به دو دسته معادله پیوستگی و معادلات مومنتم تقسیم میگردد. فرم کلی معادله پیوستگی به صورت زیر میباشد
در این معادلات چگالی سیال ui سرعت میباشد. چنانچه متوسط گیری زمانی از معادله فوق به عمل آید، معادله حاصله به صورت زیر خواهد بود:
با جایگذاری کمیتهای لحظهای با مقادیر متوسط زمانی به علاوه مقادیر نوسانی، و نیز استفاده از قوانین متوسط گیری رینولدز، معادله به صورت زیر در میآید
.2-2 معادلات مومنتم
معادلات مومنتم برای یک جریان تراکم ناپذیر با ویسکوزیته ثابت به صورت زیر تعریف می گردد - فیض نیا، : - 1387
در این معادله چگالی سیال، ui سرعت و ویسکوزیته دینامیکی سیال میباشد. این معادلات برای جریان آرام و آشفته معتبر است. لیکن برای یک جریان آشفته متغیرهای وابستهای نظیر سرعت و فشار تماما وابسته به زمان میباشند. در صورتی که معادله مومنتم را بر حسب کمیتهای متوسط زمانی بیان کنیم
جایگزینی معادله پیوستگی در معادلات مومنتم نهایتاً معادلات مومنتم برای جریان آشفته به فرم زیر در خواهند آمد:
که در آن B نیروهای حجمی میباشد. ترم ui u j که به معادلات مومنتم اضافه شده است را تنش آشفتگی یا تنش رینولدز گویند. به طور کلی این ترم ، از لحاظ فیزیکی تنش نیست بلکه بیانگر تبادل مومنتم میباشد. این ترم بیانگر مومنتم xi در جهت x j - و بالعکس - است. به این ترم در حالت کلی تانسور تنش رینولدز اطلاق می گردد. معادلات فوق را اصطلاحاٌ معادلات متوسط گیری شده رینولدز - 1 - RANS گویند
.3 روشهای انتخاب توابع انتقال رسوب
به طور کلی انتخاب بهترین معادله انتقال رسوب در شرایط مختلف تابع نتایج آزمایشات موجود یا نتایج قابل اندازه گیری در محل مورد نظر، آزمایش کلیه فرمولهای تئوری و مطابقت نتایج حاصل از آنها با مقادیر متغیرهای مستقل اندازه گیری شده، مقایسه وضعیت واقعی محل مورد نظر و محدودیت های فرمول های انتخاب شده و نهایتا تخمین نرخ انتقال رسوب توسط این روابط میباشد.
.1-3 روش یانگ - 1982 -
یانگ میزان بار مواد بستر را وابسته به میزان استهلاک انرژی جریان میداند و بر این اساس روابطی برای برآورد میزان بار مواد بستر پیشنهاد کرد . یانگ اظهار می دارد که در جریان ماندگار یکنواخت، تغییر انرژی جنبشی وجود ندارد
