بخشی از مقاله
چکیده
شبیهسازی عددی الگوی جریان در اطراف پایه کج پل با زاویه 21 درجه در صفحه عمود بر جریان به سمت چپ و راست در این مقاله ارائه میشود. برای مدلسازی جریان از معادلات متوسطگیری شده در زمان ناویر- استوکس و برای مدلسازی آشفتگی از روش RSM استفاده گردیده است. گسستهسازی معادلات حاکمبر جریان به روش حجم محدود صورت گرفته و برای حل آن از روش صریح توسط نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. بررسی نتایج تحقیق نشان داد در کلیه حالتها گردابه برخاستگی در پائین دست پایه تشکیل میشود.
واژههای کلیدی: الگوی جریان، شبیهسازی عددی، روش RSM، گردابه برخاستگی
مقدمه
بررسی الگوی جریان در اطراف پایه پلها بهدلیل تأثیر آن بر خرابی پایه از اهمیت بهسزایی برخوردار است. الگوی جریان در نزدیکی پایه پل تقریباً پیچیده بوده و توسط محققان متعددی از جمله ملویل و رادکیوی [1]، وین و همکاران [2] و احمد و راجاراتنام [3] بررسی گردیده است. دی و همکاران [4] یک رابطه تجربی برای الگوی جریان - در مجاورت پایه، داخل حفره آبشستگی و در منطقه گردابههای برخاستگی پاییندست - با فرض برقرار بودن رابطه پیوستگی و در نظر گرفتن یک سری ضرایب تجربی که از آزمایشات بدست میآیند، ارائه نمودند. بوزکوس و یلدیز [5] به بررسی اثرات کج شدگی تک پایههای پل دایرهای شکل در کانال مستقیم بر عمق آبشستگی پرداخته و اظهار داشتند با افزایش زاویه قرارگیری پایه کج شده به سمت پایین دست، از مقدار عمق آبشستگی کاسته میشود. سلیمی [6] به بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه کج پرداختهاند.
بررسی نتایج ایشان نشان داد در اثر کج شدن پایه بهسمت پاییندست کاهش عمق آبشستگی بهوقوع میپیوندد، بهگونهای که در برابر هر درجه افزایش کجشدگی پایه حدود یک درصد کاهش عمق آبشستگی نسبت به پایه قائم انتظار میرود. علی و کریم [7] الگوی جریان اطراف پایه پل در مجاورت بستر صلب را با استفاده از نرمافزار فلوئنت شبیهسازی کردند . نتایج حاصل از تنش برشی بستر بدست آمده از نرم افزار، مطابقت رضایتبخشی با نتایج آزمایشگاهی نشان دادند. پور احمدی و حکیم زاده [8] تأثیر مدلهای آشفتگی را در مدلسازی عددی الگوی جریان حول پایه استوانهای با مقطع دایرهای در کانال مستطیلی با بستر صلب با استفاده از نرمافزار فلوئنت مورد بررسی قرار دادند. ایشان نشان دادند که مدل تنش رینولدز - RSM - بهخوبی جدایش جریان در اطراف پایه و جریانهای گردابهای پشت پایه را پیشبینی میکند. از مواردی که تا کنون کمتر مورد توجه محققینمختلف قرار گرفته، بحث خصوصیات جریان اطراف پایه کج پل در برابر جریان آب میباشد که در این مقاله به آن پرداخته شده است.
مشخصات هندسی مدل عددی مورد بررسی
برای مدلسازی میدان حل در محیط گمبیت1، یک کانال مستطیلی مستقیم به طول، عرض و ارتفاع بهترتیب 12/5، 0/6 و 0/65 متر و با عمق آب 0/2 متر ایجاد میشود. این کانال با دیوارها و کف صلب احاطه شده و پایه ای به قطر 0/04 متر در فاصله 8 متری از بالادست کانال در آن تعبیه شده است. در شکل زیر مشخصات هندسی میدان حل، شامل کانال و پایه پل قرار گرفته در آن، نشان داده شده است. الگوی جریان حول پایه قائم و کج شده با زاویه 21 درجه در صفحه عمود بر جریان به سمت چپ و راست مدلسازی شده است.
شرایط مرزی اعمالشده به مدل
در ورودی شرایط مرزی سرعت2 بههمراه شدت آشفتگی و عمق هیدرولیکی، در خروجی شرط مرزی جریان 3، برای دیوارها و کف شرط مرزی دیوار4 و برای سطح بالای جریان شرط مرزی تقارن5 استفاده شده است. از طرح آپویند مرتبه دوم برای انفصال جملات جابجایی استفاده شده است. با توجه به آشفته بودن جریان، مدل آشفتگی RSM بهکار رفته است. الگوریتم سیمپل نیز بهمنظور کوپل سرعت و فشار مورد استفاده قرار گرفته است.تغییرات نتایج مدل عددی با تغییر شبکهبندی مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت شبکهای با 300*70*35 سلول در جهات طولی، عرضی و عمق با خطای %13 بهعنوان شبکه مناسب انتخاب شد. بهعلت رعایت اختصار از بیان جزئیات خودداری شده است. برای توضیحات بیشتر به کلالی [9] مراجعه گردد.
خطوط جریان حول پایه قائم و پایه کجشده بهسمت چپ و راست
شکل - 1 - - 2 الی - 3 - خطوط جریان محاسبه شده توسط مدل عددی حول پایه قائم، شکل - 4 - - 2 الی - - 6 خطوط جریان محاسبه شده حول پایه پل کجشده در صفحه عمود بر جریان با زاویه 21 درجه بهسمت چپ و شکل - 7 - -2 الی - 9 - خطوط جریان محاسبه شده حول پایه پل کجشده در صفحه عمود بر جریان با زاویه 21 درجه بهسمت راست را در سه تراز متفاوت نمایش میدهند. در همه شکلها تشکیل گردابههای برخاستگی در پاییندست پایهها بهوضوح مشاهده میشود . این گردابهها در ترازهای تحتانی از گسترش کمتری برخوردار بوده و در ترازهای میانی و فوقانی از گستردگی بیشتری برخوردار میشوند. تقارن نسبی گردابهها بر محور طولی کانال در حالت پایه قائم قابلتوجه میباشد. این افزایش ابعاد میتواند گواهی بر افزایش قدرت اثر این گردابهها با دور شدن از بستر باشد. این تفاوت قدرت گردابه درعمق، از عوامل ایجاد گرادیان فشار در عمق و جدا شدن و فوران ذرات رسوب به داخل جریان در پاییندست پایه - در صورت فرسایشپذیر بودن بستر - میباشد.
نکته قابل توجه در این حالت جابجایی مقطع پایه در پلان با تغییر تراز میباشد. همان طور که در شکلها نشان داده شده است، محل قرارگیری گردابههای برخاستگی پیرو جابجایی مقطع پلان در پلان جا به جا می شوند. در نتیجه محور این نوع گردابهها که در حالت پایه قائم بهصورت عمود هستند، در این حالت به تبعیت از پایه کج دارای انحراف و کجشدگی میباشند. لذا با توجه به این نکته که این گردابهها عامل برداشت رسوب از پشت پایه و متعاقباً ایجاد پشته رسوبی در پاییندست پایه خصوصاً در اوایل فرآیند آبشستگی میباشند، انتظار میرود با کج شدن محور شکلگیری این گردابهها و در حقیقت با خارج شدن آنها از حالت تقارن نسبت به محور طولی کانال، شکل پشته رسوبی نیز از حالت تقارنی که در پایه قائم وجود دارد خارج شود. همچنین عدم تقارن در شکل گردابهها در پلان نسبت به محور طولی بهوضوح دیده میشود. روند افزایش ابعاد گردابهها نیز در این شکلها مشاهده میشود.
کانتورهای مؤلفه طولی سرعت - U -
با توجه به شکل - 1 - -3 الی - 9 - مشاهده میشود در همه حالات قرارگیری پایه، مؤلفه طولی سرعت جریان با رسیدن به پایه در اطراف پایه دچار افزایش مقدار گردیده و امتداد یافتهاند. این افزایش در این ناحیه و امتداد آن بهسمت پاییندست ناشی از تنگشدگی جریان بهعلت قرار گرفتن پایه و ناحیه چرخشی گردابه برخاستگی در پاییندست آن میباشد. همچنین تفاوت سرعت بین ترازهای تحتانی
