بخشی از مقاله
خلاصه
آبشستگی از مهمترین عوامل تخریب پلها بوده و استفاده از ابزارهایی نظیر شکاف و صفحات مستغرق از روشهای مؤثر در کنترل آبشستگی است که عامل فرسایشدهنده را حذف کرده و یا از قدرت آن میکاهد. در تحقیق حاضر تاثیر استفادهی همزمان از این دو روش بر روی الگوی جریان و ابعاد آبشستگی به کمک مدلسازی عددی و با استفاده از نرم-افزار دینامیک سیالات Flow3D بررسی شده است.
به منظور ارزیابی نتایج مدلسازی، برای هریک از مدلها آزمایشاتی در آزمایشگاه صورت گرفت. نتایج نشان داد مدل عددی تطابق خوبی با مدل فیزیکی داشته و استفاده از روشهای مذکور تاثیر مناسبی در کاهش آبشستگی دارد، به گونهای که پایه همراه با شکاف و صفحات مستغرق حدود 23 درصد، حداکثر عمق آبشستگی را کاهش داده است.
.1 مقدمه
کنترل و کاهش ابعاد آبشستگی در اطراف پایه پل ها به عنوان یکی از مهمترین عوامل تخریب پل ها از جمله مسائل مورد توجه مهندسین و طراحان سازههای هیدرولیکی میباشد. از جمله روشهای کنترل آبشستگی، استفاده از ابزارهایی نظیر شکاف و صفحات مستغرق است که عامل فرسایشدهنده را حذف کرده و یا از قدرت آن میکاهد.
با ایجاد شکاف در پایه از قدرت جریان رو به پایین کاسته شده و جریان به صورت یک جت افقی از درون شکاف عبور مینماید. قرار دادن صفحات مستغرق نیز در جلوی پایه سبب ایجاد جریانهای ثانویهای شده که به دلیل اختلاف فشار موجود در دو طرف صفحات به وجود آمدهاند و سبب انتقال رسوبات به جلوی پایه شده و از میزان آبشستگی میکاهند.
در زمینه استفاده از شکاف مطالعاتی توسط کومار و همکاران [1] - 1999 - ، حسن زاده و همکاران [2] - 1389 - ، آقاخانی افشار و همکاران [3] - 1389 - ، ملکی و چناری - [4] - 1391 و مهرزاد و همکاران [5] - 1391 - انجام گرفته است. لاچلان [6] - 1999 - ، قربانی [7] - 2007 - ، ارونقی و همکاران [8] - 1390 - و آصفی و همکاران [9] - 1389 - نیز در رابطه با کاربرد صفحات مستغرق مطالعه نموده اند.
الگوی جریان در اطراف پایههای پل بسیار پیچیده بوده که این پیچیدگی با تشکیل حفره آبشستگی در اطراف پایه تشدید میشود. سیستم گردابی پیچیدهای در اطراف پایه بهوجود میآید که عملکرد آنها باعث بزرگ شدن گودال آبشستگی در اطراف پایهها میشود. به طور کلی برخورد و جدا شدن جریان از پایه دو عامل مهم در ایجاد چنین سیستم-هایی در اطراف پایه میباشند.
الگوی جریانی که در اطراف پایه پل شکل میگیرد به طور مستقیم یا غیرمستقیم با یکی از این دو عمل در ارتباط میباشد. برخورد جریان به پایه گرداب نعل اسبی را شکل داده و جدایی جریان از پایه باعث بوجود آمدن گردابهایی که به گرداب برخاستگی موسومند میشود. گرداب نعل اسبی عامل فرسایش بستر رودخانه در اطراف پایه بهویژه در جلوی آن میباشد .[10] شفاعی بجستان [11] - 1387 - ، صلاح الدین و همکاران [12] - 2004 - و ریچاسون و همکاران [13] - 1998 - به بررسی الگوی جریان در اطراف پایه های پل پرداختند.
همان طور که اشاره شد، مطالعات بسیاری در زمینه کاهش آبشستگی صورت گرفته که غالباً بصورت آزمایشگاهی بوده است و مطالعات عددی محدودی در این زمینه انجام گرفته است . از این رو در تحقیق حاضر به منظور بررسی میزان تأثیر کاربرد همزمان شکاف و صفحات، آبشستگی و الگوی جریان در پایه پل ساده و همچنین پایه پل همراه با شکاف و صفحات مدلسازی عددی شده و نتایج حاصل مورد مقایسه قرار گرفته است.
این مدلسازی عددی به کمک نرمافزار دینامیک سیالات Flow3D انجام شده است و برای ارزیابی نتایج مدلسازی عددی، آزمایشاتی بر روی مدل فیزیکی صورت گرفت. نتایج نشان میدهد مدل عددی تطابق خوبی با مدل فیزیکی داشته و استفاده از روشهای مذکور تاثیر مناسبی در کاهش آبشستگی دارند به گونهای که پایه همراه با شکاف و صفحات مستغرق حدود 23 درصد، حداکثر عمق آبشستگی را کاهش داده است.
.2 مواد و روش ها
در این بخش مشخصات مدل فیزیکی و مدل عددی ارائه شده است.
- مشخصات مدل فیزیکی و آزمایشات انجام گرفته: فلوم آزمایشگاهی دارای طول 4,2 متر، عرض 50 سانتی متر و عمق 55 سانتی متر است - شکل. - 1 جریان مورد استفاده توسط پمپ با دبی 20 لبتر بر ثانیه به کانال اصلی منتقل گردید که صحت این مقدار توسط یک اوریفیس متصل به مانومتر کنترل شده است . عمق جریان با استفاده از یک سرریز قابل تنظیم که در قسمت انتهایی فلوم قرار دارد، بر روی 12 سانتیمتر تنظیم شد. برای آرام کردن جریان و جلوگیری از تشکیل امواج سطحی از آرام کننده جریان و سطح شیبدار در ابتدای فلوم استفاده شده است.
نمای شماتیک فلوم در شکل 2 قابل مشاهده است. آزمایش اول بر روی پایه پل ساده انجام گرفت . سپس به منظور بررسی تاثیر کاربرد شکاف و صفحات مستغرق در کاهش آبشستگی آزمایش دیگری بر روی پایه پل با محافظت شکاف و صفحات مستغرق انجام شد. نتایج حاصل شده با یکدیگر مقایسه گردید و میزان تاثیر شکاف و صفحات مستغرق تعیین شد.
- مشخصات مدل عددی: برای شبیه سازی عددی آبشستگی و الگوی جریان در اطراف پایه پل از نرمافزار FLOW-3D ویرایش 10,0,1 استفاده شده است. این نرمافزار برای تحقیق در مورد رفتار یک، دو و سه بعدی دینامیک سیالات در محدوده ی کاربردی وسیعی طراحی شده است. این برنامه از روش احجام محدود در شبکهبندی با ساختار استفاده مینماید که در یک شبکه منظم، شکل معادلات گسسته شده مورد استفاده نظیر معادلات گسسته شده در روش تفاضل محدود میباشد. این نرم-افزار از یک شبکه متشکل از سلولهای مستطیلی استفاده میکند. بر این اساس از روشهای با دقت مرتبه اول و دوم در حل معادلات پیوستگی و مومنتوم بهره میبرد. FLOW-3D برای شبیهسازی سطح آزاد از تکنیک VOF استفاده میکند.
