بخشی از مقاله
خلاصه
در زمان وقوع سیلهای بزرگ، سطح آب در رودخانهها پیوسته بالا میآید. با افزایش تدریجی سطح آب در بالادست پل، امکان استغراق نسبی یا کامل عرشهی پل وجود دارد. در رژیم مستغرق جریان تحتفشار، جریان در زیر عرشه تحتفشار است و جریانی از روی عرشه سرریز نمیشود. در این تحقیق از نرم افزار OpenFOAM برای شبیهسازی میدان جریان تحتفشار زیر عرشه پل - بدون پایه یا تکیهگاه - در رژیم مستغرق در شرایط آب زلال استفاده شده است.
مدلسازی با مدلهای مختلف آشفتگی k-ε - ، RNG k-ε، k-ω SST، - LRR انجام شد و پس از مقایسه با نتایج آزمایشگاهی، مدل RNG k-ε به عنوان بهترین مدل آشفتگی برای شبیهسازی جریان تحتفشار انتخاب شد. نتایج نشان داد که بیشینهی سرعت جریان و بیشینهی تنشهای برشی در مقطع زیر عرشه و نزدیک لبهی پاییندست آن رخ می دهد.
1. مقدمه
پلها سازه های اصلی در شبکه های حمل و نقل در محل گذر راه از روی رودخانه ها است. شکست و خرابی بسیاری از پل ها درنتیجه ی آبشستگی پایهها و تکیهگاههای پل پدیدهی رایجی است. اگرچه تحقیقات مهمی بر روی پدیده های مختلف خرابی پلها انجام شده است، ولی بیشتر تحقیقات بر روی جریان با سطح آزاد متمرکز شدهاند. در سیلهای بزرگ، سطح آب در رودخانهها پیوسته بالا میآید.
پلها در بازهی بالادست، افزایش تدریجی سطح آب را تجربه کرده و به استغراق نسبی یا کامل میرسند. پل ها بسته به سطح آب جریان بالادست، ممکن است در معرض اثر ترکیبی جریان تحت فشار زیر عرشه پل و جریان روگذر قرار گیرند. به علت اثر جریان تحت فشار همراه با ساختارهای جریان سهبعدی اطراف پایههای پل، بیشینهی عمق آبشستگی در پایههای پل ممکن است 2/3 تا 10 برابر عمق آبشستگی در شرایط جریان با سطح آزاد شود.
جریان تحتفشار بسته به ارتفاع سطح آب در بالادست به سه رژیم جریان تقسیمبندی میشود:
- رژیم نیمهمستغرق:4 این حالت برای استغراق اندک در بالادست عرشه اتفاق میافتد و پل به صورت دریچهی تخلیه با کنترل ورودی عمل میکند، شکل -1الف. در این حالت، جریان زیر پل جریان کانال باز است و لبهی پاییندست پل مستغرق نیست.
- رژیم مستغرق:5 این حالت برای استغراق بالاتر در بالادست عرشه اتفاق میافتد و پل بهصورت روزنه با کنترل خروجی عمل میکند، شکل -1ب. در این حالت، جریان زیر پل به جریان تحت فشار تغییر خواهد کرد.
- رژیم روگذر6اگر: پل کاملاً مستغرق شود، بهصورت ترکیبی از روزنه و سرریز عمل میکند، شکل -1ج. در شکل 1، hu عمق جریان بالادست، Vu سرعت جریان بالادست، hb عمق جریان زیر عرشه، ys عمق بیشینهی آبشستگی است.
شکل - 1 رژیمهای هیدرولیکی در جریان تحتفشار؛ الف - رژیم نیمهمستغرق، ب - رژیم مستغرق، ج - رژیم روگذر
کاستیک و همکاران - 2009 - مدلسازی عددی آبشستگی تحت فشار را در رژیم های روگذر و مستغرق بهصورت دو بعدی انجام دادند. میدان جریان با استفاده از معادلات ناویر-استوکس متوسطگیریشده، مدل آشفتگی k-ε و نرمافزار تجاری STAR-CD شبیهسازی شده است. مدلسازی برای عرشههای مستغرق تطابق بهتری را با نتایج آزمایشگاهی نشان داد
ادیکاری و همکاران - 2009 - شبیهسازی میدان جریان زیر عرشه در رژیم روگذر جریان تحت فشار را با مدلهای آشفتگی مختلف انجام دادند .[2] آنها پس از مقایسهی نتایج حاصل از مدلسازی با نتایج آزمایشگاهی، آبشستگی را با استفاده از مدل آشفتگی k-ε استاندارد و روشی محاسباتی بر اساس افزایش تنش برشی از تنش برشی بحرانی بستر شبیهسازی کردند.
تولیملی و همکاران - 2011 - به روشی مشابه کاستیک و همکاران به مدلسازی آبشستگی در رژیم مستغرق پرداختند. آنها نتیجه گرفتند که سرعتهای زیاد نزدیک بستر منجر به تولید تنش برشی بیشتر از دو برابر تنش برشی بحرانی روی بستر مسطح اولیه میشود
ارسلان و همکاران - 2013 - میدان جریان و نیروهای هیدرودینامیکی اطراف عرشهی مستطیلی در رژیم مستغرق با چهار درجهی استغراق مختلف را با نرمافزار تجاری ANSYS-FLUENT و مدل آشفتگی شبیهسازی گردابههای بزرگ1 شبیه سازی کردند. آنها نشان دادند که مکانیزمهای جدایی جریان و بازگشت مجدد آن در سطح مستغرق عرشه و تشکیل گردابه ها در ناحیهی برخاستگی تابعی از درجهی استغراق و تغییرشکل سطح آب است
کارا - 2014 - توزیعهای سرعت، تنش برشی و ساختارهای آشفتگی جریان تحتفشار حول تکیهگاه پل را در رژیمهای مستغرق و روگذر با ترکیب روشهای آزمایشگاهی و عددی بررسی کرد .[5] مدلسازی عددی جریان با استفاده از مدل آشفتگی شبیهسازی گردابههای بزرگ که با روش تنظیم سطح آب2 تصحیح شده، انجام شده است. روگذری جریان، آشفتگیهای شدیدی روی عرشه ایجاد میکند که بهصورت پرش هیدرولیکی در پاییندست پل نمایان میشود. در تحقیق وی، محل بیشینهی تنشهای برشی بستر در مقطع انقباض زیر عرشه قرار گرفته است که منطبق با محل بیشینهی انرژی جنبشی آشفتگی نیست.
اغلب تحقیقات آبشستگی پل روی مطالعهی جریان با سطح آزاد متمرکز شده است. در طول سه دههی گذشته، تحقیقات مربوط به آبشستگی جریان تحت فشار اهمیت زیادی یافته است. اغلب مطالعات آبشستگی جریان تحتفشار بهصورت آزمایشگاهی است و بررسیهای الگوی جریان تحت فشار زیر عرشه کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق، تأثیر استغراق عرشهی پل مستطیلی بر میدان جریان زیر آن با استفاده از مدل عددی بررسی شده است. برای این منظور، جریان تحتفشار در رژیم مستغرق با استفاده از نرمافزار متنباز Open FOAM شبیهسازی شده است.
2. مدل عددی
برای حل جریان دوفازی غیرقابلتراکم از نرمافزار OpenFOAM و در بین حلگرها، از حلگر interFoam استفاده شده است .[6] در این حلگر، برای حل معادلات ناویر-استوکس از الگوریتم PISO1 استفاده شده است. الگوریتم PISO روش پیشبینی و تصحیح جهت محاسبه سرعت و فشار است که توسط عیسی ابداع شده است .[7] برای اعتبارسنجی مقدماتی شبیهسازی میدان جریان، نتایج حل عددی میدان جریان زیر عرشه در رژیم مستغرق با نتایج آزمایشگاهی در مطالعهی لین و همکاران - 2012 - مقایسه شده است
در مطالعهی لین و همکاران از عرشهای به عرض 100 میلیمتر و ارتفاع 35 میلیمتر نصبشده در ارتفاع 70 میلیمتری بستر، جریان بالادست با عمق 90 میلیمتر و سرعت 0/1912 متر بر ثانیه استفاده شده است. شبیهسازی عددی این تحقیق با مدل های آشفتگی مختلف انجام و بهترین مدل انتخاب شده است. درنهایت با استفاده از مدل آشفتگی منتخب، میدان جریان برای درجه استغراقهای مختلف شبیهسازی شده است. لازم به ذکر است که در این تحقیق، درجهی استغراق به صورت - hu hb - / hu تعریف شده است.
.1-2 ساخت هندسه مدل و شبکهبندی
برای ترسیم هندسهی کانال از ابزار blockMeshDict موجود در زیرمجموعهی constant در نرمافزار OpenFOAM و برای ترسیم عرشه از نرمافزار Catia استفاده شده است. تولید شبکهی سهبعدی با ابعاد متفاوت با استفاده از ابزار snappyHexMeshDict در زیرمجموعهی system امکانپذیر است. برای افزایش دقت حل مسأله، از المانهای مکعبی و شبکههای غیریکنواخت استفاده شده است.
اندازهی سلول های محاسباتی در جهت عمود بر جریان y - - ، در نزدیکی مرزهای جامد و در حد فاصل فازهای آب و هوا کوچکتر از سایر نقاط درنظر گرفته شده است. عامل تعیینکننده در اندازه ی مناسب برای سلول های محاسباتی نزدیک کف، اندازهی پارامتر y+ - فاصله از دیوار بهصورت بدونبعد - است. باتوجه به اینکه برای حل پارامترهای آشفتگی نزدیک مرزهای جامد از توابع دیوار استفاده میشود، مقادیر y+ >5 لازم است .
دامنهی محاسباتی در مدل عددی شامل عرشه ی مستطیلی پل در یک کانال باز مستطیلی ساده و مرزهای آن شامل دیوارهها، عرشه، ورودی، خروجی و اتمسفر است، شکل .2 شبکه ی استفاده شده در تحقیق حاضر در شکل 3 نمایش داده شده است.
.2-2 شرایط مرزی و اولیه و انتخاب گام زمانی
در مدلسازی انجامشده، با توجه به حلگر جریان interFoam، یک ناحیه دو فازی شامل آب وهوا تشکیل شد. مقدار اولیه سرعت آب با استفاده از دبی جریان و رابطهی پیوستگی محاسبه شده است. باتوجه به این که سرعت فاز هوا بسیار کم است، مقدار اولیه ی این پارامتر ثابت و برابر با 0/0001 متر بر ثانیه درنظر گرفته شده است. برای دیوارههای کانال و نیز عرشه، سرعت جریان صفر است. در خروجی پاییندست، گرادیانهای تمام متغیرها برابر صفر است.
شکل - 2 دامنهی محاسباتی و مرزها
