بخشی از مقاله
خلاصه
در حین یک رخداد بحرانی در رودخانه ها مانند سیل،عرشه پل ممکن است نسبتاً و یا بطور کامل توسط جریان رودخانه مستغرق گردد. استغراق عرشه پل یک وضعیت بحرانی برای پایداری سازه ایی آن محسوب می شود. در مقاله حاضر، میدان جریان آشفته در اطراف عرشه پل و همچنین اندرکنش سطح آزاد و عرشه پل با استفاده از نرم افزار Fluent و با بهره گیری از مدل Mixture و مدل آشفتگی k RNG. شبیه سازی شده و نتایج ضریب نیروی درگ وارد بر عرشه پل مستغرق شبیه سازی شده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است که تطابق مناسبی میان آنها مشاهده می گردد.
1. مقدمه
استغراق عرشه پلهای رودخانه ها در حین وقوع سیل ممکن است پایداری سازه را بصورت جدی به مخاطره اندازد. تعدادی از محققین با استفاده از شبیه سازی آزمایشگاهی و عددی عرشه پلهای رودخانه ایی مستغرق را مورد بررسی قرار داده اند. اندرکنش یک سیال جاری و یک سیلندر مستطیلی با مدلسازی آزمایشگاهی توسط - 1991 - Naudascher، Nakamura و همکاران - 1991 - ، Naudascher و - 1993 - Rockwell، Simiu و - 1996 - Scanlan، - 1998 - Rockwell و Hourigan و همکاران - 2001 - ، مورد تحقیق و مطالعه قرار گرفته است.[1-6]
این نوع وضعیت جریان با بسیاری از کاربردهای عملی مهندسی عمران و معماری از قبیل طراحی کارآمد ساختمان ها، پل ها و سازه های دیگر مرتبط می باشد. با وجود تحقیقات فوق هنوز موضوعاتی مانند تجزیه و تحلیل تأثیر شرایط مرزی نامتقارن بر روی بارگذاری هیدرودینامیکی سازه های پلها، جای مطالعه و بررسی فراوان دارد.[7 -10] لازم به ذکر است که استغراق عرشه پلهای رودخانه ها یکی از موارد اثر شرایط مرزی نامتقارن بر روی سازه پل می باشد.
به عبارت دیگر با قرار گرفتن یک سازه در معرض یک جریان با سطح آزاد، بارهای دینامیکی وارد بر سازه تحت تأثیر وضعیت مرزی نامتقارن خواهد بود. علی رغم جدی بودن مشکل استغراق عرشه پل های رودخانه ها، تحقیقات آزمایشگاهی اندکی پیرامون این موضوع موجود است - 1965 - Tainsh .[11-14 ] و - 1982 - Denson جریان دارای سطح آزاد روی سازه عرشه پلهای دارای شکل خاص را مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار داده اند11 ]و[12، اما در سایر تحقیقات آزمایشگاهی در این زمینه عرشه پل بصورت یک سیلندر مستطیلی در نظر گرفته شده استMalavasi .[15-17 ] و Guadagnini در سالهای - 2003 - ، - 2005 - و - 2007 - با انجام مطالعات آزمایشگاهی اثر تراز غوطه وری و عدد فرود عرشه را بر ضرایب نیروی متوسط وارد بر عرشه پل، مورد بررسی قرار داده اند.
با توجه به نتایج آنها مشخص گردید که مقادیر ضرایب نیروی متوسط زمانی آزمایشگاهی بدست آمده برای یک سیلندر مستطیلی که در یک جریان نامحدود واقع شده، دارای تفاوت قابل ملاحظه ای نسبت به هنگام واقع شدن آن در یک جریان با سطح آزاد است15]و18و.[19 علاوه بر آن محققین دیگر نشان داده اند که بدترین وضعیت برای پایداری سازه پل، هنگامی رخ می دهد که تراز سطح آب بر روی سازه آن اندک باشد که این وضعیتدر عمل نسبتاً فراوان رخ می دهد.
در هنگام تراز کم سطح آب روی سازه مستغرق، ضرایب نیروی متوسط بطور قابل ملاحظهای بیشتر از مقادیر متناظر آنها در جریان نامحدود است.[16] استفاده از مدلهای عددی در شبیه سازی جریان سبب کاهش هزینه های زیاد مدلهای آزمایشگاهی میگردد. در این راستا Yu و - 1998 - Kareem به منظور بررسی تغییرات پدیده جدایی جریان در اثر افزایش نسبت طول به عرض سیلندر، میدان جریان اطراف یک سیلندر مستطیلی با نسبت طول به عرض بین 1 و 4 را با بهره گیری از مدل آشفتگی LES به صورت عددی شبیه سازی نمودند.
Shimada .[20] و Ishihara - 2002 - با استفاده از مدل آشفتگی k اصلاح شده ساختار غیردائمی گردابه ها در ناحیه انتهایی یک سیلندر مستطیلی را با نسبت های طول به عرض متفاوت، شبیه سازی نمودند - 2005 - Liaw .[10] میدان جریان اطراف یک سلیندر مستطیلی را با بهره گیری از مدلهای آشفتگی LES و DES شبیه سازی نمود.[21] قابل ذکر است که در تحقیقات فوق میدان جریان اطراف یک سلیندر مستطیلی در جریان نامحدود شبیه سازی عددی شده است20]و10و.[21 می توان جهت بررسی تأثیر شرایط مرزی نامتقارن بر روی بارگذاری هیدرودینامیکی سازه های پلها از شبیه سازی عددی استفاده نمود. در مقاله حاضر، میدان جریان آشفته اطراف عرشه پل و همچنین اندرکنش سطح آزاد و عرشه پل با استفاده از نرم افزار Fluent و با بهره گیری از مدل Mixture و مدل آشفتگی RNG. k شبیه سازی شده است و نتایج ضریب نیروی درگ وارد بر عرشه پل مستغرق شبیه سازی شده با نتایج آزمایشگاهی آن مقایسه گردیده است.
2. معادلات حاکم بر جریان
در مدل Mixture فازهای مختلف امکان حرکت با سرعت های متفاوت و نفوذ در یکدیگر را دارند، همچنین در این مدل اندرکنش انتقال جرم درونی فاز، مومنتم و انتقال انرژی وجود دارد. در مدل Mixture اجزاء حجم k و q برای یک حجم کنترل، بسته به فضای اشغال شده توسط هر یک از فازهای k یا q می تواند مساوی با مقداری بین 0 تا 1 باشد و با استفاده از تئوری سرعت لغزش - - slip velocity، سرعتهای متفاوت در فازها محاسبه می شود.
3. حل عددی معادلات
همانطورکه اشاره شد جهت حل معادلات از نرم افزار تحلیل جریان فلوئنت استفاده شده است. این نرم افزار کل میدان جریان را به صورت حجم کنترلهای مجزا در نظر می گیرد، از معادلات حاکم بر جریان سیال روی هر حجم کنترل انتگرال گرفته و با استفاده از طرحهای مختلف انفصال، معادلات جبری منفصل می شوند. به منظور تهیه هندسه میدان جریان و شبکه بندی آن از نرم افزار پیش پردازنده گمبیت و جهت مدل سازی سطح آزاد آب، سیستم چند فازی - مدل - Mixture استفاده شده است.
علاوه بر آن از طرح PRESTO برای گسسته سازی فشار، طرح کوئیک - QUICK - برای انفصال جملات جابجایی معادلات مومنتوم و معادله جزء حجمی، طرح آپویند مرتبه اول برای انفصال جملات جابجایی معادلات آشفتگی و همچنین از الگوریتم پیزو برای کوپل نمودن سرعت و فشار استفاده گردیده است. به کارگیری ضرایب زیر تخفیف کوچکتر از یک برای فشار، مومنتم و تنشهای رینولدز مانع از واگرایی حل گردیده است. در این تحقیق گام های زمانی برای حل مساله 0/02 و ملاک همگرایی برای هر متغیر، بر اساس مقدار باقیمانده خطا ی نسبی برابر 0/0001 انتخاب شده است.
4. مشخصات میدان حل و شبکه بندی آن
در این مقاله جهت صحت سنجی مدل عددی از آزمایشهای انجام شده توسط Malavasi و Guadagnini در سالهای - 2003 - و - - 2007 بهره گرفته شده و مشخصات میدان حل در شبیه سازی عددی مشابه مدل آزمایشگاهی آنها است15]وMalavasi .[19 و Guadagnini در مدلسازی آزمایشگاهی میدان جریان آشفته اطراف عرشه پل و همچنین اندرکنش سطح آزاد و عرشه پل، از یک کانال روباز مستطیلی از جنس پلکسی گلاس با عرض 0/5 متر و طول 5 متر و ارتفاع 0/6 متر استفاده نمودند. آنها همچنین از یک سیلندر مستطیلی با گوشه های تیز برای مدل نمودن عرشه پل استفاده کردندکه این سیلندر به دیواره های جانبی کانال متصل شده و در فاصله 3/35 متری از مقطع ورودی و در ارتفاع0/14 متر از کف کانال و موازی آن قرار گرفته است.
لازم به ذکر است که طول سیلندر 0/18 متر و ضخامت آن 0/06 متر میباشد. با توجه به مستقیم بودن کانال آزمایشگاهی و عدم تغییر هندسه در عرض کانال و عرض سیلندر مستطیلی واقع شده در آن، شبیه سازی عددی به صورت دو بعدی در قائم انجام شده است. شبکه بندی میدان حل در عمق کانال و در طول کانال در محل سیلندر مستطیلی به صورت یکنواخت می باشد اما جهت کاهش زمان اجرای مدل عددی و به دلیل یکنواخت بودن جریان در بالادست سیلندر، شبکه بندی به طرف بالادست با ضریب 1/1 افزایش یافته است. به دلیل وجود جریان های گردابه ای در پایین دست سیلندر، شبکه بندی به طرف پایین دست با ضریب کمتری معادل 1/05 افزایش می یابد. شکل - - 1 میدان حل جریان و نحوه شبکه بندی میدان در بالادست و پایین دست سیلندر مستطیلی را در شبیه سازی عددی نشان می دهد.
