بخشی از مقاله
خلاصه
تندآبها از متداولترین و کارآمدترین سازههای مستهلککننده انرژی در کانالهای باز هستند. کاربرد سنگچین بر بستر آنها روشی ساده، مؤثر و در عین حال اقتصادی به منظور استحکام بیشتر شیب تندآب، استهلاک بیشتر انرژی جریان بر روی بدنه سازه و کاهش اثرات مخرب آبشستگی در پاییندست این سازهها است. در این مقاله به کمک مدلسازی عددی توسط نرم افزار مکانیک سیالات محاسباتی FLOW-3D و با استفاده از مدل آشفتگی k-، تأثیر کاربرد سنگچین بر عمق آبشستگی پاییندست تندآب بررسی شده و با عمق آبشستگی در پاییندست تندآب بدون زبری مورد مقایسه قرار گرفته است.
همچنین به منظور صحتسنجی نتایج مدل عددی، آزمایشاتی بر روی مدل فیزیکی در آزمایشگاه انجام شده است. نتایج نشان داد که تحلیل عددی مطابقت خوبی با نتایج حاصل از آزمایش بر روی مدل فیزیکی دارد و حداکثر عمق آبشستگی را در تندآب سنگچین شده با دقتی در حدود %80 مدل نموده است. طبق نتایج بدست آمده، همانطور که انتظار میرود عمق چاله آبشستگی در پاییندست تندآب سنگی نسبت به تندآب صاف کمتر بوده و به طور میانگین %60 کاهش در حداکثر عمق آبشستگی رخ داده است.
.1 مقدمه
تندآبهای سنگی2 نماینده بخش پرشیب و کوتاهی از سازههای انتقال آب هستند که توسط زبریهای بزرگ به شکل بولدر ایجاد میشوند و جریان را از تراز بالاتر همراه با استهلاک انرژی به تراز پایینتر عبور میدهند.[1] در واقع کاربرد سنگچین بر بستر تندآب روشی ساده، مؤثر و در عین حال اقتصادی به منظور استهلاک بیشتر انرژی جریان بر روی بدنه سازه و کاهش اثرات مخرب آبشستگی در پاییندست این سازهها و همچنین استحکام بیشتر شیب تندآب است.
اینگونه شیبهامعمولاً در پاییندست سازههای هیدرولیکی با ارتفاعی کم همانند سرریزهای گابیونی، سدهای کنترلی و ... به عنوان مستهلککننده انرژی جریان مورد استفاده قرار میگیرند.[2] وظیفهی اصلی این سازهها تثبیت شیب، پایدار کردن بستر و استهلاک انرژی جریان است.
در زمینه استهلاک انرژی بر روی شیب های سنگی مطالعاتی توسط پالیارا و چیاواسینی [3] - 2006 - و [4] ، پالیارا و همکاران [5] - 2008 - و احمد و همکاران [2] - 2009 - انجام شده است و این محققین برای محاسبه استهلاک انرژی برروی این سازه ها روابطی را ارائه نموده اند. همچنین رحمانشاهی زهابی و شفاعی بجستان [6] - 1391 - تأثیر اندازه زبری بستر تندآب بر میزان استهلاک انرژی جنبشی آب را مورد مطالعه قرار داده اند. احمد و سریسواستاوا [1] - 2014 - تأثیر دانهبندی بر استهلاک انرژی جریان در شیبهای سنگی و بلوکی را بررسی نموده-اند.
در رابطه با آبشستگی پاییندست شیبهای سنگی پالیارا - 2006 - ، پالیارا و هگر - 2007 - و پالیارا و پالرمو [7] - 2008 - در شرایط مختلف شیب، اندازه بولدرها و همچنین نوع حوضچه آرامش پایین دست تحقیقاتی به انجام رسانده و روابطی را ارائه نموده اند.
در زمینه مطالعات عددی بر روی این سازه هیدرولیکی تنها می توان به مطالعاتاُاِرتل [8] - 2011 - و شریف نژاد و صالحی نیشابوری [9] - 1391 - که جریان برروی شیب های بلوکی را به صورت عددی و با استفاده از نرم افزار FLOW-3D مورد مطالعه قرار داده اند، اشاره نمود. در زمینه آبشستگی پایین دست تندآب های سنگی و شیب های بلوکی می-توان گفت تا کنون مطالعات عددی صورت نپذیرفته است.
از این رو به دلیل مزایای مدل های عددی و کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی از لحاظ صرف هزینه و زمان و قابلیت این مدلها در مطالعهی پارامترهای هیدرولیکی متعدد و متنوعتر و ...، در این تحقیق قابلیت نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی FLOW-3D در شبیه سازی آبشستگی پایین دست تندآب سنگچین شده مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تأثیر کاربرد سنگچین بر روی بدنه تندآب در کاهش میزان آبشستگی پاییندست آن نسبت به حالت صاف مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور برای ارزیابی و کنترل صحت نتایج حاصل از مدلسازی عددی، آزمایشاتی بر روی مدل فیزیکی توسط نگارنده انجام گرفته است.
.2 مواد و روش ها
مشخصات مدل فیزیکی و آزمایشات انجام شده، همچنین مشخصات مدل عددی FLOW-3D در ادامه ارائه شده
است:
- مشخصات مدل فیزیکی و آزمایشات انجام گرفته: فلوم آزمایشگاهی شامل سه بخش میباشد: الف - فلوم بالادست تندآب، ب - تندآب و ج - حوضچه آرامش حاوی رسوب در پاییندست تندآب. طرح شماتیک فلوم آزمایشگاهی در شکل 1 ارائه شده است که در ادامه به شرح مشخصات هریک از بخشهای فوق پرداختهایم.
الف - فلوم بالادست: طول، عرض و ارتفاع فلوم آزمایشگاهی بالادست برابر 2 متر، 0 /55متر و 0/5 متر بوده.
ب - تندآب و سنگچین به کاررفته: آزمایشها بر روی تندآبی که در انتهای آن حوضچه آرامش معمولی حاوی مصالح فرسایشپذیر میباشد، انجام گرفته است که ابعاد و هندسه آن در جدول 1 ارائه شده است.
در این تحقیق با انتخاب شرایط زبری بزرگ مقیاس، از نسبتی که پالیارا - 2006 - ارائه نموده است، برای تعیین قطر مشخصه زبری که بر روی بستر تندآب کارگذاشته میشود، استفاده شد. بر این اساس قطر متوسط مصالح سنگچین برابر 16 میلیمتر در نظر گرفته شد و مورد استفاده قرار گرفت.
ج - حوضچه رسوب: این مخزن در پاییندست تندآب به ابعاد 1/5 متر عرض و 2/4 متر طول و 90 سانتیمتر ارتفاع میباشد. رسوبات بکار رفته در حوضچه رسوب، از جنس سیلیس با وزن مخصوص - sb - برابر 2/65 گرم فورس بر سانتی-متر مکعب میباشد. از آنجا که انحراف معیار هندسی ذرات رسوب g 1.5 ، بوده است، رسوبات به صورت غیریکنواخت میباشد.
آزمایشات با توجه به محدودیت ابعاد فلوم، در دو حالت تندآب با بستر صاف و تندآب با بستر سنگچین شده در دبی 2/5 لیتر بر ثانیه و پایاب 5 سانتیمتر انجام گرفت.
جدول-1 مشخصات تندآب در مدل فیزیکی
شکل .1 طرح شماتیک فلوم آزمایشگاهی
- مشخصات مدل عددی: برای شبیه سازی عددی آبشستگی از نرمافزار FLOW-3D Version 10.1.1 استفاده شده است. این نرمافزار به عنوان یکی از نرم افزارهای مکانیک سیالات محاسباتی - CFD - قدرتمند با قابلیت تحلیل یک، دو و سه بعدی دینامیک سیالات، بسیار پرکاربرد و شناخته شده میباشد.[10] این برنامه از روش احجام محدود در شبکه-بندی با ساختار استفاده مینماید که در یک شبکه منظم، شکل معادلات گسسته شده مورد استفاده نظیر معادلات گسسته شده در روش تفاضل محدود میباشد. بر این اساس از روشهای با دقت مرتبه اول و دوم در حل معادلات پیوستگی و مومنتوم بهره میبرد.[10] لازم به ذکر است در این مقاله برای مدلسازی جریان بر روی تندآب از مدل آشفتگی k- استفاده شده است.
لازم به توضیح است که برای تهیه هندسه مدل تندآب، از نرمافزار &DWLD V5.R21 استفاده شده است. مقیاس مدل عددی و مدل آزمایشگاهی یکسان در نظر گرفته شده است. پس از آمادهسازی هندسه نهایی مدل توسط نرمافزار مذکور، به منظور انتقال آن به نرمافزار FLOW-3D، شکل سه بعدی با فرمت *.VWO ذخیره شده است تا قابل انتقال به نرمافزار FLOW-3D باشد. در شکل 2 نمای سه بعدی مدل تندآب به همراه جهت محورهای مختصات نشان داده شده است.
