بخشی از مقاله
چکیده - الگوی جریان اطراف پایه پل شامل پروفیل سطح آب، توزیع سرعت، توزیع سرعت برشی و توزیع تنش برشی میباشد. در این پژوهش، میدان فعالیت جریانهای ثانوی که عمدتا گردابها هستند و همچنین حداقل عرض و طول کانال آزمایشگاهی با استفاده از نرمافزار فلوئنت و با معیار توزیع سرعت بررسی گردید. با بررسیهای صورت گرفته شعاع فعالیت گرداب¬ها 9 برابر عرض پایه و حداقل عرض کانال 18 برابر عرض پایه و طول حداقل فعالیت گردابها در جلوی پایه برابر با 6 برابر عرض پایه و در پشت پایه پل 25 برابر عرض پایه پل و طول حداقل کانال 31 برابر عرض پایه پل برآورد گردیده است.
-1 مقدمه
پایه های پل احداثی در کانالهای روباز منجر به تغییرات حائز اهمیتی در الگوی جریان میگردند. هنگامیکه جریان یک جهتی در یک کانال با یک مانع عمودی مواجه میگردد، به جریان سه بعدی تبدیل می شود، الگوی جریان حاصله در اطراف پایه پل پیچیده میشود. آبشستگی موضعی اطراف یک پایه پل - استوانه-ای - مسالهای است که بیشتر مهندسان هیدرولیک با آن درگیرند. این یک مساله پیچیده است که از اندرکنش جریان آشفته سه-بعدی اطراف استوانه و بستر متحرک کانال ایجاد می گردد. آبشستگی موضعی اطراف پایه های پل یکی از متداول ترین علل شکست پل ها می باشد که به طور جدی نتایج زیانبار و غم انگیزی را موجب میگردد.
آبشستگی موضعی پایه پل، یک موضوع مطالعاتی عمومی برای بیشتر مهندسان هیدرولیک گردیده است. پلها از جمله مهمترین و پرکاربردترین سازههای رودخانهای بوده و به¬عنوان کلید راههای ارتباطی از اهمیت زیادی برخوردار هستند. هر ساله با وقوع سیلاب در هر رودخانه تعداد زیادی از این پلها، درست زمانی که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد تخریب می گردند. رودی - 1997 - به مقایسه جریان اطراف پایه با مقطع مربعی با استفاده از دو مدل RANS و LES پرداخت. در این تحقیق مشخص گردید که نتایج حاصل از محاسبات به روش LES کارآمدتر از RANS می باشد.
رولوند و همکاران - 2002 - جریان اطراف پایه پل را با استفاده از مدل عددی و به صورت سهبعدی شبیهسازی نمودند. آنها برای مدل-سازی آشفتگی از مدل k- استفاده نمودند. در این پژوهش تاثیر ضخامت لایه مرزی، زبری بستر و مایل بودن پایه نسبت به خط قائم بر روی شکلگیری گرداب نعلاسبی مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزایش عدد رینولدز طول گرداب نعلاسبی افزایش مییابد و برای اعداد رینولدز خیلی زیاد، این طول به تدریج از مقدار حداکثر خود کمتر شده و کاهش می-یابد. عمق حفره آبشستگی با افزایش یا عرض پایه پل بیشتر میشود .
عمق حفره آبشستگی در اکثر مواقع با قطر یا عرض پایه پل بیبعد شده و پارامتر - - را به وجود میآورند. مطابق تحقیقات، حداکثر عمق حفره آبشستگی آبزلال ایجاد میگردد و مقدار آن 2/3 تا 2/5 برابر قطر یا عرض پایه پل میباشد - بروسرز و رادکیوی،1977 و شپارد و میلر، . - 2006 ارونقی و همکاران - 1385 - برای دوری از اثرات دیوارههای جانبی برروی عمق حفره آبشستگی شرایط <0/11 پیشنهاد کردند.
ارونقی و همکاران - 1390 - در تحلیل اثرات گردابها بر روی آبشستگی به این نتیجه رسیدند که عرض دیواره های جانبی میتوانند عامل بازدارنده باشد. با بررسی صورت گرفته عرض حداقل کانال آزمایشگاهی برای بررسی پارامترهای آبشستگی اطراف پایه پل استوانهای 10 برابر قطر پایه استخراج گردید و همچنین شعاع میدان فعالیت گردابها 5 برابر قطر پایه پل محاسبه گردید.
حسنزاده و همکاران - 1390 - به بررسی اثر اشکال مختلف پایه پل بر الگوی جریان اطراف آن با استفاده از نرمافزار فلوئنت پرداختند. نتایج عددی نشان داد که مقطع دوکی و بیضی شکل بهترین نوع مقطع در کاهش تنشبرشی و در نتیجه کاهش آبشستگی اطراف پایه میباشد. کلالی و همکاران - - 1391 به شبیهسازی عددی الگوی جریان اطراف پایه کج پل در صفحه عمود بر جریان به سمت راست و چپ پرداختند. بررسی نتایج تحقیق نشان داد در کلیه حالتها گرداب برخاستگی در پایین-دست پایه تشکیل میشود. اقبالی و همکاران - 1391 - به بررسی تاثیر قرارگیری و شکل فونداسیون بر مقدار آبشستگی اطراف پایه پل پرداختند.
با تحلیل آزمایشها محدوده مناسب برای ترازگیری فونداسیون 25-50 درصد قطر پایه پل پیشنهاد گردیده است. هوشمند و همکاران - 1393 - به مدلسازی جریان در اطراف پایههای مستقر در کانالهای خمیده بهصورت سه-بعدی پرداختند. نتایج نشان داد که مدل آشفتگی RSM نسبت به دو مدل دیگر در مدلسازی عددی سرعت جریان و جریان-های ثانویه عملکرد بهتری داشته است. مقایسه قدرت جریان ثانویه در پاییندست حاکی از آن بود که با قرارگیری پایه پل در میانه کانال قوسی شکل جریانهای ثانویه به سمت قوس داخلی کانال متمرکز شده و اثر گردابههای برخاستگی در بسترهای پیچانرودی تا مقطع 150 درجه از قوس ادامه خواهد داشت.
عطاییآشتیانی و اصلانی کردکندی - 2012 - به بررسی میدان جریان در اطراف دو پایهی متوالی در دو حالت وجود و عدم وجود حفره آبشستگی پرداختند. نتایج نشان میدهد که گرداب-های نعلاسبی بیشتر در پاییندست فاصلهی بین دو پایه می-باشد و جریان بین دو پایه در حفره آبشستگی بسیار سریع بوده که این تحت تاثیر تغییر شکل عمودی و عرضی جریان اطراف پایهها بهخصوص در بین دو پایه میباشد .
فائل و همکاران - 2016 - به بررسی اثر شکل و تراز پایه پل در عمق آبشستگی در پایه پل تک پرداختند. آنها از پنج نوع پایه استوانهای، مستطیلی، مستطیلی گردگوشه و گروه پایه، با زاویه قرارگیری صفر، 30، 45، 60 و 90 درجه استفاده نمودند و به این نتیجه رسیدند که فاکتور شکل - مقادیر فاکتور شکل برای پایه با شکل- های مختلف متفاوت است و مقادیر پیشنهاد شده ثابت میباشد و با Ks نشان میدهند. - برای مستطیل گردگوشه و بیضی 1 و برای مستطیل و گروه پایه 1/2 به دست آمد و نیز در طول مدت انجام آزمایش تغییری نداشت. در این تحقیق به بررسی میزان فعالیت گردابها و همچنین اثرات مقیاس بر الگوی جریان پرداخته شده است.
-2 مواد و روشها
هدف اصلی از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر موقعیت طولی پایه پل با استفاده از نرمافزار فلوئنت میباشد. این نرمافزار توانایی حل معادلات پیوستگی و مومنتوم ناویر-استوکس متوسط رینولدزی را دارد. برای حل معادلات ناویر-استوکس در اطراف پایه پل به کمک نرم افزار فلوئنت لازم است منطقهی اطراف پایه پل شبکهبندی شود.
برای این منظور ابتدا مدل موردنظر در یک نرمافزار طراحی هندسه مانند گمبیت طراحی شده و منطقه به طول 1 متر، عرض 20 سانتیمتر و ارتفاع 8 سانتیمتر شبکه-بندی شد که در وسط این منطقه پایه پل مربعی به عرض 1 و 4 سانتیمتر و ارتفاع 8 سانتیمتر نیز لحاظ گردید و پس از تعریف شرایط مرزی و... طرح در نرم افزار فلوئنت اجرا گردیده است. در شکل 1 نمونهای از مدل طراحی شده در گمبیت آورده شده است.
برای رسیدن به حداکثر عمق آبشستگی موارد زیر رعایت شده است: در صورتیکه عمق جریان بیشتر از 3 برابر قطر پایه باشد، تاثیر آن را بر روی آبشستگی در اطراف پایهها میتوان نادیده گرفت. در غیر این صورت، عمق جریان باعث کاهش آبشستگی میشود - چیو و ملویل، . - 1987 نکتهی دیگری که در تعیین عمق جریان حائز اهمیت است، رعایت حداکثر تنش برشی در شرایط آب زلال است. زمانیکه سرعت جریان در محدودهی باشد، آبشستگی در شرایط آب زلال است و اگر سرعت متوسط جریان بیش از سرعت آستانهی حرکت باشد آبشستگی در شرایط بستر زنده صورت میپذیرد.معادله - - 2 دارای ترم اضافی شامل پارامتر نیز میباشد که بیانگر نسبت زمان مشخصهی آشفتگی به زمان مشخصهی میدان جریان است.
بنابراین این مدل اثرات Equilibrium Off- را نیز مدنظر قرار داده است. که در آن: جرم مخصوص، =k ثابت 0/41، نرخ اضمحلال ویسکوز انرژی جنبشی آشفته، =tزمان، =u سرعت جریان، لزجت مولکولی، = tلزجت گردابهای، = k ثابت پرانتل 0/8، ثابت اشمیت آشفته 1/15، =C ثابت 0/085، =C1ثابت 1/42، =C2 ثابت 1/68، =C3 ثابت 0/8، 0 ثابت 4/38، ثابت 0/015، زمان مشخصه آشفتگی به زمان مشخصه میدان جریان، =G ترم تولید برشی، =B ترم تولید-اتلاف بویانسی ناشی از میدان چگالی نوسانکننده جریان می-باشد. توزیع مولفههای افقی سرعت به کمک نرم-افزار فلوئنت استخراج گردید و در مقاطع مشخص شده که یکی از مقاطع در نزدیکی پایه مقطع - A - و دیگری در ابتدای کانال مقطع - B - میباشد، در فواصل مختلف از پایه پل Z - بر حسب سانتیمتر - مورد بحث قرار گرفت. شکل 2 نمای کلی از کانال و پایه را نشان میدهد.
-3 نتایج و بحث
اگر در کانال مانعی وجود نداشته باشد و جریان یکنواخت باشد پروفیلهای سرعت در هر امتداد طولی و در هر مقطع با هم برابر خواهند شد. این حالت با استفاده از نرمافزار فلوئنت به خوبی نتیجه گرفته شد. شکل 3 پروفیلهای توزیع سرعت را برای حالتی که پایه پل در کانال وجود نداشته باشد؛ نشان می-دهد. چنانچه از این شکلها قابل مشاهده است پروفیل توزیع سرعت در هر امتداد طولی و در هر مقطع بر روی هم منطبق شده است که نشانگر مساوی بودن آن است.
