بخشی از مقاله
چکیده
فرسایش بستر و سواحل رودخانه و انتقال رسوب یکی از دلایل مهاجرت و تغییرات مورفولوژی رودخانهای است. آبشکنها جهت هدایت جریان در امتداد مسیر اصلی آبراهه و حفاظت سواحل در برابر فرسایش به کار میروند.این سازهها بهطور عمودی یا با کمی زاویه نسبت به ساحل بر روی رودخانهها ساخته میشوند. برای فهم بهتر مکانیسم آبشستگی در اطراف این سازه های رودخانهای، مطالعه الگوی جریان و تغییرات سرعت در اطراف آن مورد توجه است.
با توجه به آنکه مدلهای عددی به عنوان یک ابزار توانمند می توانند جریانهای آشفته را شبیهسازی کنند، در این مقاله با استفاده از مدل سه بعدی ssiim الگوی جریان آشفته در اطراف سری آبشکنها مورد بررسی قرار گرفته است. توزیع سرعتهای طولی،عرضی و عمقی در نزدیکی بستر در اطراف آبشکنها مطالعه شده و سپس با بررسی تغییرات سطح آب در طول کانال به توانایی این نرم افزار در شبیه سازی الگوی جریان میپردازیم. مقایسه نتایج حاصل از مدل عددی و داده های آزمایشگاهی حاکی از توانایی مدل عددی در شبیه سازی الگوی جریان در محدوده یکسری آبشکن میباشد.
-1 مقدمه
ضرورت تامین آب برای آشامیدن، تامین نیازهای انسانها ، آبیاری زمینهای کشاورزی و بسیاری کاربردهای دیگر باعث شده که رودخانهها از دیرباز مورد توجه انسانها بوده تا جایی که رودخانهها همواره بعنوان یکی از محورهای انتخاب محل سکونت انسانها و بالطبع توسعه شهرها از زمانهای قدیم مطرح بوده است. در کنار استفاده و منفعتهایی که انسانها از رودخانهها بدست میآورند، اتفاقات و پدیدههای طبیعی همچون طغیان رودخانهها ، فرسایش زمینهای مجاور رودخانه و...
همواره بعنوان مشکلات موجود در برابر انسانها بوده است. ساماندهی، اصلاح مسیر و حفاظت دیوارههای رودخانه منحصر به استفاده از یک روش خاص در طول یک بازه و یا در دو سمت ساحلی رودخانه نیست بلکه متناسب با شرایط مختلف، تلفیقی از کاربرد روش های مختلف را شامل میگردد. آبشکنها با معادلهای Groyne در زبان انگلیسی، Epi درزبان فرانسوی و Spur Dike در زبان لاتین، از جمله سازههای مهم در کنترل فرسایش در رودخانهها و ساماندهی آنها میباشد
آبشکن-ها مبتنی بر ساخت سازههای متقاطع یا عرضی هستند که از دیواره طبیعی رودخانه با طول و زاویه مناسب نسبت به راستای عمومی جریان، توسعه یافته سبب انحراف حمله جریان از کنارهها و نواحی بحرانی شده و جریان را به سمت محور مرکزی رودخانه هدایت مینمایند. مهمترین دلیل استفاده از آبشکنها را میتوان در محافظت از سواحل رودخانه و مدیریت عمق رودخانهها بیان نمود.
در برابر این موضوع پدیده آبشستگی در نوک این سازهها، همواره بعنوان یکی از مهمترین عوامل برهم-خوردن پایداری سازه و پایین آمدن کارایی آنها وجود دارد. شروع مهندسی سواحل و احداث آبشکنها با همت دانشمند هلندی Andries VIEERLING میباشد . در سال 1576 ایشان اولین مقاله را در این موضوع با عنوان "Tractaet van Dyckagie" ارائه داد که البته این مقاله تا سال 1920 انتشار نیافت. دراین رساله توضیحات مفصلی در خصوص عملکرد آبشکنها و تاثیرات فاصله و راستای آنها در این خصوص، ارائه شده است.
Uijttewaal در سال 1999 نتایج تحقیقات آزمایشگاهی خود را در مقالهای به نام :"اندازه گیری الگوی سرعت در حوضه آبشکنها به کمک ابزار ردیابی ذرات" P.T.V ارائه داد، تاثیرات مهم نسبت ابعاد حوضه و نیز شماره هر حوضه در سری آبشکنها را بر تعداد و شکل گردابهها در حوضه آبشکن مشخص کرد. برخلاف آبشکن های غیر مستغرق، الگوی جریان در آبشکنهای مستغرق ماهیت کاملاً 3 بعدی دارند. Trominaga طی تحقیقات خود در سال 2001 متوجه تشکیل دو دسته گردابه درحوضه آبشکن های مستغرق گردید.
هاشمی نجفی و همکاران در تحقیقی با نام "مقایسه آب شکن L شکل وتیغه ای وانتخاب آبشکن مناسب" به بررسی این موضوع پرداختند. این تحقیق به منظور بررسی آزمایشگاهی آبشستگی در حالت آب زلال بر روی آبشکن L شکل و تیغه ای و مقایسه آنها انجام گرفته است.
در تحقیقات آزمایشگاهی Dr. Hao Zhang در سال 2005 طی تز دکترای خود به بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییرات بستر در کانال های دارای آبشکن پرداخت. ایشان در تحقیقات خود به بررسی تاثیر وجود آبشکن های باز و بسته سری دو ردیفه - هر دو طرف کانال - بر الگوی جریان و تغییرات در بستر کانال و حوضه ها پرداخته اند. ANU ACHARYA در سال 2011 طی تز دکترای خود با عنوان زیر به بررسی الگوی جریان و انتقال رسوب در مورد آبشکن های سری عمود و مایل، پرداخت. ایشان تحقیق و بررسی خود را بصورت آزمایشگاهی و مدلسازی عددی به کمک نرم افزار FLOW 3D انجام داد.
-2 معرفی مدل عددی ssiim و معادلات حاکم
مدل SSIIM بر اساس روش حجم کنترل محدود طراحی شده است و معادلات ناویراستوکس و مدلهای آشفتگی را با استفاده از یک شبکه سه بعدی حل میکند. برای منفصلسازی نیز از الگوریتم توانی1یا الگوریتم جهتمند مرتبه دوم2 استفاده میشود. برای ارتباط ترم فشار و سرعت روش SIMPLE مورد استفاده قرار میگیرد. با استفاده از روش حل ضمنی، میدان سرعت محاسبه شده و مولفههای آن در حل معادلات انتقال و پخش برای اندازههای مختلف رسوب مورد استفاده قرار می-گیرند.
SSIIM همچنین پروفیل سطح آب را در حالتهایی که تغییرات سطح آب در آنها شدید و تند نباشد، با استفاده از برونیابی فشار در سلولهای داخلی نزدیک سطح آب تعیین مینماید. به این صورت که یک سطح مرجع در سلول واقع در پایین دست تعریف شده و در این سلول سطح آب اجازه تغییر مکان نخواهد داشت. فشار در این سلول به عنوان فشار مرجع - - انتخاب میشود و سپس با استفاده از رابطه - 1-3 - ، مقدار جابجایی هر سلول به دست میآید :
-2-1 آشنایی با معادلات حاکم بر میدان -1-2-1کلیات
مطالعه عددی میدان جریان و انتقال رسوب، اساسا زمانی امکانپذیر است که قوانین حاکم بر این فرآیندها به زبان ریاضی که معمولا برحسب معادلات دیفرانسیل میباشد، بیان شده باشد. جزئیات مربوط به نحوهی بدست آوردن این معادلات در مراجع متعددی ذکر شده است؛ لذا در این فصل تنها به فرم نهایی این معادلات پرداخته شده و در هر مورد متغیرهای مستقل بکار برده شده در این روابط شرح داده خواهد شد.
-2-2-1 معادلات حاکم بر میدان جریان
معادلات حاکم بر حرکت یک سیال تراکم ناپذیر لزج در حالت آشفته، توسط معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی بیان میشوند. با فرض دائمی بودن جریان و صرفنظر کردن از نوسانات جرم مخصوص، معادلات مومنتوم و پیوستگی به ترتیب زیر بیان میشوند:
در معادلات فوق u مولفه سرعت، p فشار کل و جرم مخصوص سیال میباشد. همچنین جملات به عنوان تنش- های رینولدز شناخته میشوند. جهت مدلسازی تنشهای رینولدز ازمدلهای آشفتگی استفاده میشود.
-3-2-1 مدلهای آشفتگی
به طورکلی مدلهای آشفتگی را میتوان به دو گروه تقسیم کرد:
· مدلهایی که از مفهوم لزجت گردابهای استفاده میکنند.
· مدلهایی که تنشهای رینولدز را مستقیما از معادلات - بدون استفاده از لزجت گردابهای - بدست میآورند.
-2-2 نحوه محاسبه ارتفاع معادل زبری
ارتفاع معادل زبری - ks - برحسب تعریف، شامل تاثیر تمام عناصر زبری بستر نظیر اندازه قطر ذرات رسوب و سایر فرمهای بستر میباشد. برای بستر از نظر هیدرولیکی صاف، ks برابر صفر فرض میشود. برای یک بستر زبر مسطح در آزمایشگاه، ks معمولا برابر قطر متوسط ذرات بستر - d50 - فرض میشود. چرا که در این حالت تنها زبری ناشی از اندازه ذرات بستر اثرگذار هستند
-3-2 حل معادلات حاکم بر میدان جریان
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD3 عبارت است از تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده-های همراه که براساس شبیهسازی کامپیوتری صورت میگیرد. روند کلی تحلیل عددی یک سیستم بدین صورت است که اطلاعات ممتد که در حل دقیق این معادلات حاکم میباشد با مقادیر منفصل از یکدیگر تعویض میگردد که بدین ترتیب توزیع پارامترهای دخیل در معادله دیفرانسیل در میدان، به صورت ناپیوسته صورت میگیرد.
-4-2 حل میدان جریان
در حل میدان جریان تراکمناپذیر در حالت دو بعدی حل سه معادله حاکم مشکل میباشد. در معادله پیوستگی تنها پارامترهای سرعت میدان وجود دارند؛ در حالی که در معادلات مومنتوم در جهت X و Y علاوه بر ترمهای سرعت پارامتر فشار نیز وجود دارد، که در حل معادلات این غیر یکنواختی باعث بروز مشکل در کوپل کردن معادلات میشود
استفاده از شبکه جابهجا شده در انفصال میدان جریان، بعضی از مشکلات اولیه حل میدان که ناشی از انتخاب نحوه انفصال میدان می-شود و باعث مواج شدن مقادیر میدان میگردد، از بین میرود. بدین ترتیب برای هر پارامتر میدان جریان یعنی U، V و P یک حجم کنترل مخصوص به خود در نظر گرفته شده و معادلات منفصل شدهی مربوط به آن پارامتر حل میگردد.
