بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به مقایسه خصوصیات جریان از قبیل سرعت افقی، پروفیل طولی سطح آب و تنش برشی در کانالهای قوسی شکل 180 درجه متوالی با مقطع مستطیلی و شعاع های مرکزی متفاوت پرداخته شد. در این تحقیق دو قوس متوالی 180 درجه با شعاع های مرکزی 2/6 به 2/6، 2/6 به 2، 2 به 2/6، 2/6 به 1/5 و 1/5 به 2/6 متر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که وقتی که شعاع قوس دوم کوچکتر از شعاع قوس اول بوده است، ناحیه تنش برشی حداکثر گسترش یافته است. همچنین نتایج نشان داد که وقتی شعاع قوس کاهش یافته است یعنی Rc/W کاهش یافته و قوس به سمت تند شدن میل کرده است اختلاف عرضی سطح آب در آن قوس افزایش یافته است.
1. مقدمه
بستر اغلب آبراههها و رودخانهها علیرغم اینکه اندازه و مشخصات مهندسی و هیدرولیکی متفاوتی دارند. بندرت به صورت مسیرهای مستقیم و یا به اصطلاح از نوع آبراهههای مستقیم هستند. بلکه در طول مسیر خود دارای پیچ و خمهای نامنظمی هستند که ممکن است حالت قرینهای در آنها دیده شود. در این حالت دو قوس متوالی در دو جهت مختلف از یک رودخانه را مئاندر گویند که در یکی آب در جهت عقربههای ساعت و دیگری در خلاف عقربههای ساعت حرکت میکند. این الگو در پاییندست رودخانه یعنی در محل جلگهها و دشتهای سیلابی تشکیل میشود. در این قسمت شیب عمومی آبراهه و دره کم شده و قابلیت حمل رسوب در رودخانه کاهش مییابد. [1] - شکل - 1
تاکنون تحقیقات زیادی چه در داخل و چه در خارج کشور درباره قوس ها انجام گرفته است. یکی از نخستین مطالعات جامعی که در زمینه قوس انجام گرفته است توسط روزوفسکی بوده است. تقسیم بندی نوع قوس نیز اولین بار توسط این محقق بیان گردید.[2] موسونی و گوتز نیز جز اولین کسانی بودند که توجه ویژه ای به توزیع قدرت جریان حلزونی و نحوه تغییرات آن در طول کانال معطوف کردند.[3] فقیه الاسلام جهرمی و همکاران با استفاده از مدل عددی CCHE2D الگوی جریان و رسوب حول آبشکن در قوس 180 درجه را به صورت عددی شبیه سازی کردند.
آنها با استفاده از مدل فیزیکی نتایج خود را صحت سنجی کردند. نتایج نشان داد که مدل طول اختلاط نسبت به مدل لزجت گردابهای دارای توانایی بیشتری در شبیه سازی جریان در قوس میباشد و CCHE2D برای تخمین عمق چاله آبشستگی مناسب میباشد.[4] حسن زاده و همکاران به مقایسه خصوصیات جریان در قوس های یکنواخت و همگرا با استفاده از مدل SSIIM پرداختند. نتایج آن ها نشان داد که به دلیل نیروی گریز از مرکز بیشتر در قوس همگرا و قدرت جریان ثانویه بیشتر در قوس یکنواخت که عملکرد آنها در خلاف همدیگر است، اختلاف عرضی سطح آب در کانال همگرا بیشتر از کانال یکنواخت است.[5]
منصوری و همکاران به بررسی تغییرات بستر در قوس 180 درجه پرداخت. او با استفاده از مدل SSIIM به بررسی تغییرات تراز بستر - پوشیده از ماسه یکنواخت - در قوس 180 درجه با انحنای نسبی ملایم پرداخت. نتایج او نشان داد که مقدار ضریب زبری بستر در مدل با mm8=d50 25/6واسنجی شده و نتایج حاصل از آن تطابق خوبی را با داده ها ی آزمایشگاهی نشان می دهد. نتایج او همچنین نشان داد که در تمامی حالت ها یک ناحیه فرسایشی در نزدیکی قوس خارجی دیده می شود که علت آن وجود ناحیه با تنش برشی بالا در این بازه کانال است.[6] قبادیان و بصیری به بررسی تاثیر شعاع قوس در قوسهای مرکب 180 درجه پرداختند.
به این صورت که از زاویه 0 تا 90 یک شعاع برای قوس و از زاویه 90 تا 180 درجه یک شعاع دیگر در نظر گرفتند. نتایج آنها نشان داد که با تبدیل قوس ساده - یک شعاع از 0 تا 180 درجه - به مرکب دو شعاعی حداکثر تنش برشی در کف افزایش مییابد و محدوده آن به سمت انتهای قوس کشیده می شود.[7] ویلسون و همکاران نیز با استفاده از مدل عددی SSIIM به بررسی الگوی جریان و نحوه پخش ماده رنگی در کانال آزمایشگاهی مئاندری پرداختند.[8] ناجی ابهری و همکاران الگوی جریان در یک قوس 90 درجه با عرض ثابت و بستر صلب را بررسی و خصوصیات جریان از جمله نحوه تاثیر جریان ثانویه بر توزیع سرعت، مسیر حداکثر سرعت را مورد مطالعه قرار دادند.[9]
علیرغم مطالعات زیادی که در زمینه قوس انجام گرفته است. مطالعه و شبیه سازی جریان در قوس های متوالی یا کانالهای مئاندری کمتر انجام گرفته است لذا این تحقیق با هدف بررسی تاثیر شعاع قوس در قوس های متوالی 180 درجه با مقطع مستطیلی شکل که حالتی شبیه به مئاندر رودخانه ها است، انجام گرفت. شبیه سازی جریان در حالتهای مختلف توسط مدل عددی SSIIM1 انجام گرفت و خصوصیات جریان از قبیل سرعت افقی، تغییرات طولی سطح آب و تنش برشی در حالات مختلف مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت.
مدل آزمایشگاهی
میدان مورد مطالعه در این تحقیق کانالی با قوس 180 درجه است که در مطالعات آزمایشگاهی پیرستانی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.[10] قوس مذکور دارای دو مسیر مستقیم به ترتیب با طولهای 7/2 و 5/2 متر در بالادست و پایین دست خود میباشد. شعاع مرکزی قوس مورد مطالعه 2/6 متر بود. دیواره و بستر آن از جنس پلکسی گلاس با Ks=0/0001 m میباشد. دبی جریان و پهنای کانال به ترتیب 30 لیتر بر ثانیه و 0/6 متر میباشد. صحت سنجی مدل SSIIM1 برای میدان مورد مطالعه قبلا توسط محققین انجام گرفته است.
در این تحقیق هدف شبیه سازی جریان و مقایسه جریان در قوس های متوالی 180 درجه بود. به همین منظور با ایده گرفتن از مدل آزمایشگاهی پیرستانی هندسه مورد مطالعه به این صورت در نظر گرفته شد که در هر حالت کانال های مستقیمی به طول های 7/2 و 5/2 متر در بالادست و پایین دست قرار گرفت. اتصال کانالهای بالادست و پایین دست از طریق دو قوس 180 درجه با شعاع های مرکزی 2/6 به 2/6، 2/6 به 2، 2 به 2/6، 2/6 به 1/5 و 1/5 به 2/6 متر انجام گرفت.
دبی جریان و پهنای کانال به ترتیب 30 لیتر بر ثانیه و 0/6 متر مطابق قوس مورد مطالعه پیرستانی در نظر گرفته شد. شعاع مرکزی قوس و پهنای کانال به ترتیب با نمادهای Rc و W نشان داده شده است. نسبت Rc/W در شکل گیری الگوی جریان بسیار مهم بوده و در حالت کلی، با توجه به مقدار این پارامتر، می توان قوس ها را به دو دسته تقسیم بندی کرد.[2] - جدول - 1
در این مقاله جریان در قوس های متوالی 180 درجه با استفاده از مدل سه بعدی SSIIM1 شبیه سازی شد. مدل مذکور از یک شبکه ساختار استفاده میکند. برنامه ی کامپیوتری برای ساختن مش و مشخص کردن هندسه قوس های متوالی 180 درجه به زبان VB نوشته شد. شکل 2 نمایی از مش ساخته شده توسط برنامه را نشان می دهد. مشخصات قوسهای مورد مطالعه در این تحقیق در جدول 2 آمده است.
