مقاله شبیه سازی عددی آبشستگی پیرامون آبشکنهای متوالی

بخشی از مقاله

خلاصه

در مقاله حاضر تغییرات تراز بستر و پدیده آبشستگی اطراف سري سهتایی آبشکنهاي غیرمستغرق، نفوذناپذیر و عمود بر محور جریان به صورت عددي شبیهسازي شدهاست. براي شبیهسازي عددي میدان حل در این مطالعه از مدل سهبعدي SSIIM 2.0 استفاده شده است. جهت شبیهسازي عددي در این مطالعه شبکههاي مختلف و مدلهاي آشفتگی متفاوت استفاده شده و با استفاده از نتایج آزمایشگاهی موجود بهترین حالت و روش- هاي حل انتخاب شدهاست. در نهایت نتایج حاصل از شبیهسازي عددي با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شدهاست. نتایج حاصله نشاندهنده توانایی مدل عددي SSIIM 2.0 در شبیهسازي پدیده آبشستگی پیرامون آبشکنها میباشد.

.1 مقدمه

آبشکنها سازههائی هستند که بهصورت عرضی از ساحل رودخانه به طرف محور آن و با زوایاي مختلف نسبت به کناره رود و بهصورت مورب نسبت به جریان تا فاصلهاي به سمت درون بستر جریان امتداد مییابند.[1] آبشکنها معمولاٌ به صورت یک سري متوالی و گاهی به صورت منفرد باعث انحراف آب از محل کنارهها شده و در حفاظت دیوارهاي خارجی قوسها و نیز در طرحهاي اصلاح مسیر و کاهش عرض رودخانه به طور گستردهاي مورد استفاده قرار میگیرند.

آبشکنها با کاهش مقطع رودخانه، الگوي جریان را به طور محسوسی تحت تأثیر قرار میدهند. خطوط جریان با نزدیک شدن به سازه آبشکن آرایش خود را تغییر داده و به تبعیت از ساختار هندسی، نوع سازه - آبشکن نفوذپذیر یا غیرقابل نفوذ - و سایر مشخصات فنی، الگوهاي متفاوتی از جریان در دماغه و میدان آبشکن پدیدار میگردد.[2] احداث آبشکنها خود منجر به ایجاد تغییراتی در الگوي جریان میشود که مهمترین تبعات آن پدیده آبشستگی موضعی در اطراف آبشکن میباشد که ایمنی سازه را به خطر میاندازد. یکی از شاخصهاي مهم در تعیین مشخصات حفرهي آبشستگی، حداکثر عمق آبشستگی میباشد.

با توجه به اینکه مطالعه جامعی بر روي پدیده آبشستگی اطراف سري آبشکنهاي انجام نگرفته است در این مطالعه به شبیهسازي عددي این پدیده با استفاده از دادههاي آزمایشگاهی موجود پرداخته شدهاست.

.2 توصیف مدل

براي ارزیابی نتایج مدل عددي از آزمایشی که توسط کرمی و همکاران - 1389 - در فلومی به طول 14 متر، عرض 1 متر و عمق 1 متر واقع در آزمایشگاه محیطهاي متخلل دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است، استفاده گردید .[10] جنس بدنه و کف فلوم از شیشه بوده و در طول فلوم و به ضخامت 35 سانتیمتر مصالحی با دانهبندي یکنواخت میلیمتر D50=0/91 و انحراف معیار ذرات - D16   - g  D84 ، σg=1/38 ریخته شده است. عمق جریان در بالادست آبشکنها برابر 15 سانتیمتر بوده است. در این مطالعه پدیده آبشستگی اطراف سري سهتایی آبشکنها مورد بررسی قرار گرفته است.

شکل - 1 - طرح شماتیک فلوم آزمایشگاهی وآبشکنها را نشان میدهد. محل استقرار اولین آبشکن، 6/16 متر از ابتداي کانال بوده است. طول آبشکنها ثابت و برابر با 25 سانتیمتر بوده است که تنگشدگی 0/25 را ایجاد میکردند همچنین فاصله بین آنها ثابت و برابر با 50 سانتیمتر 2 - برابر طول آنها - بوده است. دبی جریان 46 لیتر بر ثانیه بوده که شرایط U/Ucr = 0/85 را فراهم میکند U - سرعت جریان در بالادست آبشکنها و Ucr سرعت بحرانی ذرات بستر - آستانه حرکت ذرات - - .

شکل – 1 طرح شماتیک فلوم آزمایشگاهی و آبشکنها

.1.2 مدل عددي مورد استفاده

در این پژوهش از مدل عددي SSIIM 2.0 براي شبیهسازي سه بعدي تغییرات بستر پیرامون آبشکنها درکانال استفاده شده است. مدل عددي SSIIM 2.0 که مخفف Sediment Simulation In Intakes with Multiblock option میباشد در سال 1997 توسط اولسن به منظور شبیهسازي انتقال رسوبات ریز ارائه شده و بصورت رایگان در اینترنت قرار داده شد .[11] این نرم افزار یک نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی است که براي استفاده در مهندسی هیدرولیک و انتقال رسوب تدوین شده است. همچنین از این مدل در شبیهسازي رسوبات مخازن و کانالها، مدل کردن سرریز، افت در تونلها ، رابطه دبی– اشل در رودخانهها و ... نیز استفاده میشود. از دلایل استفاده از این مدل میتوان به توانایی حل سه بعدي میدان حل و همچنین استفاده از معادلات حل مختلف و مدلهاي آشفتگی مختلف و ایجاد شبکه در محیط نرمافزار و همچنین رایگان بودن آن اشاره کرد.

.2.2 معادلات حاکمه بر پدیده

انتقال رسوبات معمولاٌ به دو بخش بار بستر و بار معلق تقسیم میشود.  بار معلق می تواند بهوسیله معادله جابجایی -  انتشار - convection – diffusion - براي غلظت رسوبات - C - مشخص شود. معادله جابجایی - انتشار براي غلظت رسوب در حالت کلی به صورت زیر نوشته میشود.
w سرعت سقوط ذرات رسوب، U سرعت جریان ، x بعد فضا و Γ به صورت ضریبی از لزجت آشفتگی νt نوشته و از مدل آشفتگی k-ε مجموع ضریب پخشیدگی آشفتگی و ضریب پخشیدگی مولکولی است. مقدار Γ به دست میآید.

براي محاسبه بار بستر به طور پیش فرض در نرم افزارSSIIM 2.0 از فرمول تجربی بار بستر    ون راین - Van Rijn - استفاده میگردد که به صوت زیر است    

qb دبی در واحد عرض بار بستر، d میانگین قطر ذرات - d50 - ، τ تنش برشی بستر، τc تنش برشی بحرانی براي حرکت رسوبات - از دیاگرام شیلدز به دست میآید - و ρ و : ρs به ترتیب جرم واحد حجم آب و دانههاي رسوبی میباشند.

.3.2 مدلسازي عددي و تحلیل نتایج

در نرمافزار SSIIM 2.0 شبکهبندي میدان حل، در محیط ویرایشگر شبکه نرمافزار انجام میشود. به منظور کم کردن زمان محاسبات، اندازه شبکه به نحوي تنظیم شده است که تنها در محل استقرار آبشکنها به دلیل وجود گردایانهاي شدیدتر سرعت، شبکهبندي ریزتر شود. براي شبکهبندي از دو شبکه با ابعاد156×21×10 و92×21×10 - از چپ به راست به ترتیب تعداد خطوط شبکه در جهت محور x، y و - z استفاده شده است و نتایج حاصله از آزمونهاي R2 و MAE نشاندهنده نتایج نزدیک شبکه ریزتر به نتایج آزمایشگاهی میباشد. جدول - 1 - نتایج آزمون MAE و R2 را براي دو شبکه نشان میدهد. شکل - 2 - شبکه ایجاد شده توسط نرمافزار SSIIM 2.0 را نشان میدهد. لازم بهذکر است که زبري استفاده شده براي انجام محاسبات انتقال رسوب 5d 90 = 0.0065 m میباشد.

جدول – 1 نتایج آزمون MAE و R2 براي دو شبکه مورد بررسی

شکل – 2 شمایی از شبکهبندي صورتگرفته

مدل عددي SSIIM 2.0 قابلیت مدلسازي میدان حل را با مدلهاي آشفتگی دو معادلهاي k-ε استاندارد و RNG k-ε دارا میباشد. پس از تحلیل میدان حل و محاسبه تغییرات بستر با دو مدل آشفتگی فوق مشخص گردید که مدل آشفتگی RNG k-ε ، بهتر از مدل آشفتگی k-ε استاندارد توانسته است شکل و عمق حفره آبشستگی را شبیهسازي نماید