بخشی از مقاله
خلاصه
جریان های چگال یا غلیظ به علت اختلاف چگالی بین دو با چند سیال مختلف به وجود می آیند و این اختلاف چگالی محرک اصلی رانش این جریان ها می باشد. جریان چگال حاوی رسوبات معلق را جریان گل آلود می نامند. در بیشتر مخازن و در زمان وقوع سیلاب، جریان های گل آلود فرآیند اصلی برای انتقال و ته نشینی رسوبات هستند و نقش مهمی در رسوبگذاری مخزن ایفا می کنند و باعث کاهش عمر مفید سدها می گردند. لذا بررسی و شناخت هیدرودینامیک جریان های گل آلود برای مدیریت و افزایش عمر مفید سدها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
در این تحقیق جهت شبیه سازی عددی این جریان ها از مدل عددی Mike3 استفاده شد. برای صحت سنجی مدلسازی عددی در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریان های گل آلود از جمله پروفیل های سرعت، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیه سازی با اندازه گیری های آزمایشگاهی مربوط مقایسه شد. آزمایشات در کانالی با ابعاد 12*0,5*0,5 - متر - انجام گرفت. نتایج حاصل از مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشته و چشم انداز روشنی را جهت تحقیقات و بررسی تکمیلی این جریان ها پیش رو قرار داده است.
-1 مقدمه
جریان های چگال یا غلیظ - - density currents که به آنها جریان ثقلی نیز گفته می شود، جریان هایی هستند که بر اثر اختلاف چگالی بین دو یا چند سیال مختلف و در نتیجه نیروی رانشی ناشی از آن، در اثر شتاب ثقل کاهش یافته جریان می یابند و باعث حرکت سیال سنگین تر به درون سیال سبک تر خواهد شد. در واقع جریان غلیظ، جریان دو فازی با اختلاف کمی در چگالی فازها، نظیر آب سرد و گرم و یا مخلوط آب و گل می باشد. این اختلاف چگالی بین سیال جریان غلیظ و سیال محیطی ساکن، ممکن است ناشی از اختلاف در درجه حرارت، وجود رسوبات معلق، مواد جامد حل نشده، تفاوت شوری و ... باشد. جریان های غلیظی که در اثر اختلاف چگالی ناشی از مواد جامد ریز دانه معلق حرکت می کنند، جریان های گل آلود نامیده می شوند
در بیشتر مخازن، انتقال و ته نشینی رسوبات ریز دانه با جریان های گل آلود در ارتباط هستند. این جریان ها هنگامی بوجود می آیند که در زمان وقوع سیلاب، جریان رودخانه مملو از رسوب وارد مخزن می شود و در زیر آب ساکن و زلال مخزن غوطه ور می گردد. در این حالت ذرات درشت دانه تر در ناحیه دلتا سقوط کرده و جریان حاوی ذرات ریزدانه به صورت جریان چگال زیر سطحی به حرکت خود در عمق مخزن و در طول خط القعر به صورت ثقلی ادامه می دهد.
با تفاوت چگالی ایجاد شده توسط رسوبات معلق ریز دانه و همچنین شیب کف زیاد مخزن، جریان های گل آلود قادر به انتقال مقادیر زیادی از رسوبات در مسافت های طولانی هستند و در نهایت به سد می رسند - . - 2 شکل 1 پیشروی جریان گل آلود در مخزن سد را نشان می دهد. پیش بینی حرکت جریان های گل آلود برای مسائل مربوط به مهندسی مخزن بسیار جالب است. ته نشین شدن رسوبات توسط جریان های گل آلود در کاهش ظرفیت ذخیره آب مخزن، انسداد دریچه های خروجی تحتانی یا اخلال در عملکرد سازه های آبگیر نقش خواهد داشت و بر اکولوژی مخزن تاثیر می گذارد.
شکل -1 شکل شماتیک انتقال رسوب در بالادست و پایین دست بازه های رودخانه و در اثر جریان های گل آلود در داخل مخزن سد
اجرا و ساخت مدل های عددی بسیار کم هزینه تر از مدل های فیزیکی می باشند و کاربرد آن ها محدود به یک نمونه خاص نمی باشند. علاوه بر این در مدل های عددی قدرت مانور بر روی هندسه جریان بسیار بالاست و می توان جریان را با همان ابعاد واقعی خود شبیه سازی نمود. در این مدل ها می توان تمام خصوصیات جریان را تواما بررسی نمود، اما نقطه ضعف بزرگ این مدل ها عدم منظور نمودن کلیه پارامتر های موثر در طبیعت است. مدل های ریاضی و عددی زمانی که به درستی طراحی شده و نسبت به داده های میدانی و آزمایشگاهی تست گردند، می توانند اطلاعات مهمی در رابطه با اصول دینامیکی جریان های گل آلود و ویژگی های فرسایشی و ته نشینی فراهم کنند.
تا به حال تحقیقات عددی مختلف در ارتباط با اصول دینامیکی جریان گل آلود و ویژگی های جریان، نتایج با ارزشی راجع به این پدیده های پیچیده فراهم کرده است. مدلهای ریاضی این جریانها در 70 سال اخیر توسعه یافته اند . این مدلها از معادلات حاکم پیوستگی جرم برای فازجامد و مایع و از معادله پخش استخراج شده اند اما بدلیل فقدان شناخت کافی روی پارامترهای مختلف نظیر ضریب آمیختگی رسوب معادلات بخوبی حل نشده اند.
تا کنون پژوهش های وسیعی درباره جریان های غلیظ به صورت آزمایشگاهی و عددی انجام گرفته است که می توان به موارد زیر اشاره کرد. دی سزار و همکاران در تحقیقات خود یک مدل عددی ارائه داده اند و نیز از یک مدل آزمایشگاهی استفاده کرده اند. همچنین در این تحقیق از مشاهدات میدانی مخزن سد Lozzon در آلپ سویس استفاده شده است.
مدل عددی برای جریان دو فازی جهت شبیه سازی جریان های گل آلود بوده و بر ای کنترل دقت آن از شاخصهای محلی استفاده شده است - Kassem and Imran, 2001 . - 4 روش عددی دو بعدی برای بررسی انتقال جریان رودخانه غوطه ور شده در جریان گل آلود را مطرح کردند - . - 5 مدل عددی سه بعدی دیگری با استفاده از کد CFX-4 به منظور شبیه سازی جریان های گل آلود در دریاچه Lugano توسط - Lavelli et al.,2001 - توسعه یافت - Heimsund et al., 2002 . - 6 یک مدل سه بعدی دینامیکی جریان برای انتقال رسوب، فرسایش و ته نشینی توسط جریان های گل آلود با استفاده از نرم افزار flow3D به وجود آورده اند
- Huang . - 7 et al., 2005 یک مدل عددی جریان های گل آلود را که ساختار قائم سرعت جریان و غلظت را با تغییر در سطح بستر به دلیل فرسایش و ته نشینی رسوب معلق پیش بینی می کند، توسعه داده اند - . - 8 یک مدل اختلاط لغزشی آزاد جبری شامل معادلات مومنتم، پیوستگی، سرعت جبری و معادلات هیدرودینامیک k- استاندارد توسط - Rui - dong & Jia, 2010 - برای شبیه سازی دو بعدی جریان های غلیظ ارائه شده و آزمایشات در یک فلوم انجام گردیده است .ایشان برای تحلیل شرایط وقوع پارامترهای عدد رینولدز، عدد فرود و غلظت رسوب را به کار برده و نتایج شبیه سازی را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کردند و نشان دادند که نقطه غوطه وری با سرعت بالا و غلظت رسوب کم در ورودی، به سمت پایین دست حرکت می کند و در ضمن غوطه وری جریان های غلیظ ممکن است به علت فرو رفتن جریان در سطح آب تمیز باعث برگشت جریان شود
محمدنژاد و همکاران - 1387 - مخزن سد سفیدرود را در هنگام ورود جریان گل آلود به آن با استفاده از نرم افزار Mike3 در حالت مش بندی نامنظم مدلسازی کرده اند. آنها نتایج شبیه سازی را با داده های صحرایی اندازه گیری شده مقایسه و کالیبره کرده اند
محمد نژاد و شمسایی - - 1387 حرکت جریان های زیر سطحی و گل آلود در مخازن سدها را با استفاده از مدل سازی عددی شبیه سازی کرده و یک مدل عددی دو بعدی قائم با روش حل احجام محدود برای شبیه سازی جریان های چگال و گل آلود زیر سطحی توسعه داده اند
حسینی و عبدی پور - - 1389 جریان های گل آلود را به کمک یک کد عددیFlow3D شبیه سازی کردند .ایشان برای صحت سنجی پارامترهای هیدرولیکی جریان های گل آلود بدست آمده از مدل عددی از جمله پروفیل های سرعت و غلظت از نتایج آزمایشگاهی پیشین استفاده کرده و نتایج حاصل از شبیه سازی را با اندازه گیری های آزمایشگاهی مربوط مقایسه کردند
حاجی بابایی و حسینی - 1390 - جهت شبیه سازی عددی معادلات حاکم بر جریان های چگال حاوی ذرات معلق از یک کد عددی تجاری به نام Fluent استفاده و به عنوان ابزاری مفید برای شبیه سازی هیدرودینامیکی رفتار جریان های گل آلود آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار دادند
در این تحقیق جهت شبیه سازی عددی جریان های گل آلود از مدل عددی Mike3 استفاده شد. برای صحت سنجی مدلسازی عددی در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریان های گل آلود از جمله پروفیل های سرعت، از یک نمونه آزمایشگاهی که توسط کشتکار انجام شده بود، استفاده شد و نتایج حاصل از شبیه سازی با اندازه گیری های آزمایشگاهی مربوط مقایسه شد. در شکل 2 جریان چگال آزمایشگاهی و قسمت های مختلف آن به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل -2 شکل شماتیک جریان چگال آزمایشگاهی
-2 معادلات حاکم بر جریان
معادلات حاکم بر مدل Mike3 توسط حل معادلات 3 بعدی تراکم ناپذیر ناویر- استوکس متوسط گیری شده، موسوم به RANS بیان می شوند. معادلات حاکم بر جریان سیال شامل معادله های پیوستگی، مومنتم و معادله انتقال رسوبات چسبنده می باشند - . - 15 معادله پیوستگی و معادلات مومنتم افقی برای مولفه x وy مورد استفاده در این مدل به ترتیب به صورت زیر تعریف می شود :
در این معادلات، - z,y,x - مختصات کارتزین در جهت های طولی، عرضی و قائم، مولفه های سرعت - w,v,u - در جهت های z,y,x، تراز سطح آب، f=2 sinØ پارامتر کریولیس - : سرعت زاویه ای چرخشی ، : Ø عرض جغرافیایی - ، Pa فشار اتمسفر، چگالی آب، aچگالی مرجع، t و A به ترتیب ویسکوزیته گردابی در جهت قائم و افقی، S چشمه یا چاه آب - با سرعت های vs و us - ، g شتاب گرانش و t زمان می باشد. انتقال رسوبات چسبنده نیز به صورت معادله ذیل توصیف می شود که c غلظت جرمی و ws سرعت سقوط می باشند.
